Question

【題目】探索CO2與CH4的反應使其轉化為CO和H2，對減緩燃料危機，減少溫室效應具有重要意義。回答下列問題

(1)已知：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+206.1kJ·mol－1

②2H2(g)+CO(g)CH3OH(1) △H2=－128.3kJ·mol－1

③2H2(g)+O2(g)2H2O(g) △H3=－483.6kJ·mol－1

25℃時，在合適的催化劑作用下，采用甲烷和氧氣一步合成液態甲醇的熱化學方程式為______________________。

(2)向某密閉恒容容器中通入物質的量濃度均為0.1mol·L－1的CH4與CO2，在一定條件下發生反應CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，測得CH4的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示。

①工業生產時一般會選擇在P4和1250℃條件下進行反應，請解釋其原因______________________。

②在壓強為P4、1100℃的條件下，該反應在5min時達到平衡點X，則0-5min內，用CO表示該反應平均速率為___________；該溫度下，反應的平衡常數為___________(保留3位有效數字)。

(3)工業上用CO和H2制取甲醇反應方程式為2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)。對于該合成反應，若通入的CO的物質的量一定，如圖為4種投料比[n(CO)︰n(H2)分別為5︰7、10︰17、5︰9、1︰2]時，反應溫度對CO平衡轉化率的影響曲線。

①曲線b對應的投料比是___________

②當反應在曲線a、b、c對應的投料比下達到相同的平衡轉化率時，對應的反應溫度和投料比的關系是___________。

③投料比為10︰17反應溫度為T1時，平衡混合氣體中CO的物質的量分數為___________。

Answer 1

【答案】CH4（g）+O2（g）CH3OH（l）△H=-164.0 kJ·mol-1 較大的壓強和較高的溫度都能加快反應速率，提高生產效率 0.032 mol·L-1·min-1 1.64 5：9 投料比越大，反應溫度越低 20.8%

【解析】

根據運用蓋斯定律計算和書寫熱化學方程式；根據轉化率運用三段式法進行反應速率、平衡常數和物質的含量相關等。

（1）根據蓋斯定律：2①+2②+③得2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H=2△H1+2△H2+△H3=2×206.1kJ·mol－1 －2×128.3kJ·mol－1－483.6kJ·mol－1=328.0kJ·mol－1，

故答案為：2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H=328.0kJ·mol－1

(2)①根據圖表所示及工業生產需要分析知較大的壓強和較高的溫度都能加快反應速率，提高生產效率，

故答案為：較大的壓強和較高的溫度都能加快反應速率，提高生產效率；

②起始時甲烷的濃度為0.1mol·L－1，轉化率為80%，則甲烷濃度變化為0.1mol·L－1×80%=0.081mol·L－1，v(CO)=2×v(CH4)=2× =0.032 mol·L-1·min-1；

CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)

起始 0.1 0.1 0 0

轉化 0.08 0.08 0.16 0.16

平衡 0.02 0.02 0.16 0.16

K=，

故答案為：0.032 mol·L-1·min-1；1.64；

(3)①由方程式知，投料比n(CO)︰n(H2)越小，CO轉化率越高，所以b曲線的投料比是排第二小的是5：9；

②根據圖像趨勢知投料比越大，反應溫度越低，；

③投料比為10︰17對應曲線c，反應溫度為T1時，平衡時CO轉化率為75%，則

2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)

起始 17 10 0

轉化 15 7.5 7.5

平衡 2 2.5 7.5

混合氣體中CO的物質的量分數為 20.8%；

故答案為：5：9；投料比越大，反應溫度越低； 20.8%。