【題目】甲烷是一種重要的化工原料和清潔能源,研究其再生及合理利用有重要意義。

請回答:

(1)已知一定條件下發(fā)生如下反應:

CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g) △H=+802kJ·mol-1。

將一定量的CO2(g)和H2O(g)充入10L密閉容器中,分別在催化劑M、N的作用下發(fā)生上述反應,CH4(g)的產(chǎn)量(n)與光照時間(t)和溫度(T)變化的關系如圖1所示。

①若甲烷的燃燒熱(△H)為-890kJ·mol-1,則水的汽化熱△H=___________。(汽化熱指1mol液體轉(zhuǎn)化為氣體時吸收的熱量)

②T1℃、催化劑M作用下,0~20h內(nèi)該反應速率v(H2O)=___________

③根據(jù)圖1判斷,T1___________T2(填“>”“<”或“=”),理由為___________。

催化劑的催化效果:M___________N(填“強于”或“弱于”)。

(2)甲烷可用于制備合成氣:CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H。將CH4(g)和H2O(g)以物質(zhì)的量之比為1:3充入盛有催化劑的剛性容器中發(fā)生該反應。相同時間段內(nèi)測得CO的體積分數(shù)()與溫度(T)的關系如圖2所示。

①T0℃時,CO的體積分數(shù)最大的原因為_________________________________。

②若T0℃時,容器內(nèi)起始壓強為p0,CO的平衡體積分數(shù)為10%,則反應的平衡常數(shù)Kp=___________(用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù))。

【答案】+44 kJmol﹣1 0.006 molL﹣1h﹣1 該反應為吸熱反應,溫度升高,CH4的產(chǎn)量增大 弱于 低于T0 ℃時,相同時間段內(nèi)溫度越高反應速率越快,CO的體積分數(shù)越大;高于T0 ℃時,反應達到平衡,該反應為放熱反應,溫度越高CO的體積分數(shù)越小

【解析】

(1)甲烷的燃燒熱為H=-890kJmol-1,則甲烷燃燒的熱化學方程式可表示為CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)H=-890kJmol-1,根據(jù)蓋斯定律,結(jié)合已知熱化學方程式處理得H2O(l)=H2O(g),再計算出H;

②根據(jù)圖象可知,T1℃、催化劑M作用下,020h內(nèi)甲烷的物質(zhì)的量變化為0.6mol,結(jié)合v=計算出甲烷的反應速率,然后結(jié)合反應速率與化學計量數(shù)成正比計算;

③根據(jù)催化劑不影響平衡,會使得化學反應速率增大,結(jié)合該反應為放熱反應分析解答;

(2)①沒有達到平衡狀態(tài)時,溫度越高反應速率越快,當達到平衡狀態(tài)后,升高溫度平衡向著逆向移動,據(jù)此分析;

CH4(g)H2O(g)的物質(zhì)的量之比為13,設CH4xmol,H2O3xmol,平衡時生成的COymol,然后根據(jù)三段式分析解答。容器容積相同時,氣體的壓強與物質(zhì)的量成正比,T0℃時,容器內(nèi)起始壓強為p0,計算出平衡時的壓強,再分別計算出平衡時各氣體的分壓,帶入平衡常數(shù)表達式計算即可。

(1)①已知:CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g)H+802kJmol1①,甲烷的燃燒熱為H=﹣890kJmol1,則甲烷燃燒的熱化學方程式可表示為CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(l)H=﹣890 kJmol1②,根據(jù)蓋斯定律,﹣(+)可得:H2O(l)H2O(g)H=﹣ [+802kJmol1+(890 kJmol1)]+44 kJmol1,故答案為:+44 kJmol1;

②根據(jù)圖像可知,T1℃、催化劑M作用下,020h內(nèi)水的物質(zhì)的量變化為0.6mol,則v(CH4)0.003 molL1h1,所以v(H2O)2v(CH4)0.006 molL1h1,故答案為:0.006 molL1h1;

③該反應為吸熱反應,溫度升高,CH4的產(chǎn)量增大,根據(jù)圖像可知,溫度為T1條件下,平衡時甲烷的物質(zhì)的量較大,則T1T2;已知溫度T1T2,若不使用催化劑,應該在溫度T1條件下優(yōu)先達到平衡狀態(tài),根據(jù)圖像可知,使用催化劑N的曲線優(yōu)先達到平衡狀態(tài),說明催化劑的催化效果:M弱于N,故答案為:>;該反應為吸熱反應,溫度升高,CH4的產(chǎn)量增大;弱于;

(2)①在溫度低于T0 ℃時,相同時間段內(nèi)溫度越高反應速率越快,則CO的體積分數(shù)越大;在溫度為T0 ℃時,反應達到平衡,由于該反應為放熱反應,溫度越高CO的體積分數(shù)越小,所以T0℃時CO的體積分數(shù)最大,故答案為:低于T0 ℃時,相同時間段內(nèi)溫度越高反應速率越快,CO的體積分數(shù)越大;高于T0 ℃時,反應達到平衡,該反應為放熱反應,溫度越高CO的體積分數(shù)越;

CH4(g)H2O(g)的物質(zhì)的量之比為13,設CH4xmol,H2O3xmol,平衡時生成的COymol,CO的平衡體積分數(shù)為10%

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

初始(mol) x 3x 0 0

轉(zhuǎn)化(mol) y y y 3y

平衡(mol) xy 3xy y 3y

則:×100%=10%,解得:y=0.5x,平衡時混合氣體的總物質(zhì)的量為:x-0.5x+3x-0.5x+0.5x+0.5x×3=5x,反應前總物質(zhì)的量為4xmol,容器容積相同時,氣體的壓強與物質(zhì)的量成正比,T0℃時,容器內(nèi)起始壓強為p0,則平衡時壓強為:p0×=1.25p0,平衡時p(CH4)=×1.25p0=p0,p(H2O)=×1.25p0=p0p(CO)=×1.25p0=p0,p(CH4)=×1.25p0=p0,反應的平衡常數(shù)Kp==,故答案為:。

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2)某雙原子分子構(gòu)成的氣體,其摩爾質(zhì)量為Mg/mol,該氣體質(zhì)量為mg,阿伏加德羅常數(shù)為NA,則:

①該氣體的物質(zhì)的量為____mol

②該氣體在標準狀況下的體積為____L

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1已知:CO2(g)3H2(g)===CH3OH(g)H2O(g) ΔH1

2CO(g)O2(g)===2CO2(g) ΔH2

2H2(g)O2(g)===2H2O(g) ΔH3

則反應CO(g)2H2(g)===CH3OH(g)ΔH______

2如圖是該反應在不同溫度下CO的轉(zhuǎn)化率隨時間變化的曲線。

T1T2溫度下的平衡常數(shù)大小關系是K1________K2(”)。

②由CO合成甲醇時,CO250 、300 350 ℃下達到平衡時轉(zhuǎn)化率與壓強的關系曲線如下圖所示,則曲線c所表示的溫度為________ ℃。實際生產(chǎn)條件控制在250 1.3×104 kPa左右,選擇此壓強的理由是____________

③以下有關該反應的說法正確的是________(填序號)。

A.恒溫、恒容條件下,若容器內(nèi)的壓強不再發(fā)生變化,則可逆反應達到平衡

B.一定條件下,H2的消耗速率是CO的消耗速率的2倍時,可逆反應達到平衡

C.使用合適的催化劑能縮短達到平衡的時間并提高CH3OH的產(chǎn)率

D.某溫度下,將2 mol CO6 mol H2充入2 L密閉容器中,充分反應,達到平衡后,測得c(CO)0.2 mol·L1,則CO的轉(zhuǎn)化率為80%

3一定溫度下,向2 L固定體積的密閉容器中加入1 mol CH3OH(g),發(fā)生反應:CH3OH(g) CO(g)2H2(g),H2的物質(zhì)的量隨時間變化的曲線如圖所示。

02 min內(nèi)的平均反應速率v(CH3OH)__________。該溫度下,反應CO(g)2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數(shù)K__________。相同溫度下,在一個恒容容器中加入一定量的CO(g)H2發(fā)生:CO(g)2H2(g) CH3OH(g)的反應,某時刻測得體系中各物質(zhì)的量濃度如下:CCO=0.25 mol·L1,CH2=1.0 mol·L1CCH3OH=0.75 mol·L1,則此時該反應_____進行(填向正反應方向”“向逆反應方向處于平衡狀態(tài))。

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