Question

【題目】已知甲烷隔絕空氣在不同溫度下有可能發生如下兩個裂解反應：

①CH4(g)C(s)+2H2(g)，②2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)。

某同學為了得到用天然氣制取炭黑的允許溫度范圍和最佳溫度，在圖書館查到如下熱力學數據：

①反應的ΔH(298 K)=+74.848 kJ/mol，ΔS(298 K)=+80.674 J/(mol·K)

②反應的ΔH(298 K)=+376.426 kJ/mol，ΔS(298 K)=+220.211 J/(mol·K)

已知焓變和熵變隨溫度變化很小。請幫助這位同學考慮如下問題：

（1）反應①屬于 (填“高溫”或“低溫”)自發反應。

（2）判斷反應①自發進行是由 (填“焓變”或“熵變”)決定的。

（3）通過計算判斷反應①在常溫下能否自發進行。_________________________________。

（4）求算制取炭黑的允許溫度范圍：_______________________________。

（5）為了提高甲烷的炭化程度，你認為下面四個溫度中最合適的是 (填字母)。

A．905.2 K B．927 K C．1 273 K D．2 000 K

Answer 1

【答案】（1）高溫 （2）熵變

（3）ΔH-TΔS=74.848 kJ/mol-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×298 K≈50.807 kJ/mol>0，所以反應①在常溫下不能自發進行

（4）927.8~1 709.4 K （5）C

【解析】（1）由于用天然氣制取炭黑的反應是一個吸熱、熵增的反應，只有在高溫下才會有ΔH-TΔS<0，反應正向自發進行，所以反應①在高溫時能自發進行。（2）因為反應①吸熱，不利于反應的自發進行；而熵增有利于反應的自發進行，所以反應①能否自發進行由熵變決定。（3）ΔH-TΔS=74.848 kJ/mol-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×298 K≈50.807 kJ/mol>0，所以反應①在常溫下不能自發進行。（4）天然氣裂解為炭黑時，ΔH-TΔS=74.848 kJ/mol-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×T<0，得T>927.8 K，即天然氣裂解為炭黑的最低溫度為927.8 K。天然氣裂解為乙炔時，ΔH-TΔS=376.426 kJ/mol-220.211×10-3 kJ/(mol·K)×T<0，得T>1 709.4 K，即溫度高于1 709.4 K時天然氣會自發裂解為乙炔和氫氣。所以要制取炭黑，溫度需控制在927.8~1 709.4 K之間。（5）根據（4）中計算出的溫度范圍，可知C項符合題意。