Question

运用化学链燃烧技术有利于提高燃料利用率。化学链燃烧技术的基本原理是借助载氧剂(如Fe₂O₃，FeO等)将燃料与空气直接接触的传统燃烧反应分解为几个气固反应，燃料与空气无须接触，由载氧剂将空气中的氧气传递给燃料。回答下列问题：

Ⅰ.以Fe₂O₃作载氧剂的化学链燃烧循环转化反应的部分热化学方程式如下，循环转化的原理如图所示：

①C(s) ＋H₂O(g) = CO(g)＋ H₂(g)  ΔH = akJ∙mol^-1

②CO(g)＋ H₂(g) ＋ O₂(g) = CO₂(g) ＋H₂O(g)  ΔH = bkJ∙mol^-1

(1)写出图中总反应的热化学方程式：_____________________________

(2)空气经反应器A后得到的尾气___________(填“能”或“不能”)直接用作工业合成氨的原料气，原因是_____________________。

Ⅱ.用FeO作载氧剂，部分反应的lgK_p [K是用平衡分压(平衡分压=总压×物质的量分数)代替平衡浓度]与温度的关系如图所示。

(3)图中涉及的反应中，属于吸热反应的是反应_________________(填字母)。

(4)R点对应温度下，向某恒容密闭容器中通入1molCO，并加入足量的FeO，只发生反应CO(g)＋ FeO(s) CO₂(g) ＋Fe(s)，则CO的平衡转化率为______________.

Ⅲ.在T℃下，向某恒容密闭容器中加入1molCH₄(g)和4mol FeO(s)进行反应：CH₄(g) ＋ 4FeO(s) 4Fe(s) ＋2H₂O(g) ＋CO₂(g)。反应起始时压强为P₀，反应进行至10min时达到平衡状态，测得此时容器的气体压强是起始压强的2倍。

(5)T℃下，该反应的K_p = _____________________.

(6)若起始时向该容器中加入1molCH₄(g)，4molFeO(s)，1mol H₂O(g)，0.5molCO₂(g)，此时反应向__________________(填“正反应”或“逆反应”)方向进行。

(7)其他条件不变，若将该容器改为恒压密闭容器，则此时CH₄的平衡转化率___________(填“增大”“减小”或“不变”)。

Answer

C(s) O2(g) = CO2(g) ΔH = (a + b)kJ∙mol-1 不能 经反应器A得到的尾气中含有少量氧气，氧气与氢气混合可能发生爆炸 bc 50% P02 正反应 增大

【解析】

Ⅰ(1)应用盖斯定律进行计算。

(2)空气经反应器A后得到的尾气，尾气是氮气和少量氧气的混合物，和氢气接触，氢气和氧气容易发生爆炸。

Ⅱ(3)反应a，升高温度，lgKp减小，Kp减小；反应b、c，升高温度，lgKp增大，Kp增大，再分析每一个反应平衡移动得出结论。

(4)建立“三步走”，再计算压强平衡常数，最后得出结论。

Ⅲ(5)先建立“三步走”，计算消耗的量，再根据压强平衡常数进行计算。

(6)利用压强之比等于物质的量之比，得出此时压强，再根据计算此时的压强常数，与平衡压强常数比较，再得出结论。

(7)利用相当于改变压强的情况来分析平衡怎样移动，得出平衡转化率变化。

Ⅰ(1)应用盖斯定律，第一个方程式加上第二个方程式，得到总反应的热化学方程式：C(s) O2(g) = CO2(g) ΔH = (a + b)kJ∙mol-1，故答案为：C(s) O2(g) = CO2(g) ΔH = (a + b)kJ∙mol-1。

(2)空气经反应器A后得到的尾气，尾气是氮气和少量氧气的混合物，和氢气接触，氢气和氧气容易发生爆炸，因此不能直接用作工业合成氨的原料气，原因是经反应器A得到的尾气中含有少量氧气，氧气与氢气混合可能发生爆炸，故答案为：不能；经反应器A得到的尾气中含有少量氧气，氧气与氢气混合可能发生爆炸。

Ⅱ(3)反应a，升高温度，lgKp减小，Kp减小，平衡逆向移动，逆向是吸热反应，正向为放热反应，反应b、c，升高温度，lgKp增大，Kp增大，平衡正向移动，正向是吸热反应，即属于吸热反应的是反应b、c，故答案为：b、c。

(4)R点对应温度下，向某恒容密闭容器中通入1molCO，并加入足量的FeO，lgKp=0，Kp=1。

解得x = 0.5mol

，则CO的平衡转化率为50%，故答案为：50%。

Ⅲ.在T℃下，向某恒容密闭容器中加入1molCH4(g)和4mol FeO(s)进行反应：CH4(g) ＋ 4FeO(s) 4Fe(s) ＋2H2O(g) ＋CO2(g)。反应起始时压强为P0，反应进行至10min时达到平衡状态，测得此时容器的气体压强是起始压强的2倍。

根据压强之比等于物质的量之比，P0：2P0=1mol：(1-x+2x+x)mol，解得x=0.5mol，

(5)T℃下，该反应的，故Kp = P02，故答案为：P02。

(6)若起始时向该容器中加入1molCH4(g)，4molFeO(s)，1mol H2O(g)，0.5molCO2(g)，此时物质的量是原来的2.5倍，因此压强是原来的2.5倍，此时，因此反应向正反应方向进行，故答案为：正反应。

(7)将该容器改为恒压密闭容器，容器体积变大，相当于在原来容器基础上减小压强，平衡正向移动，CH4的平衡转化率增大，故答案为：增大。