Question

我国科研人员提出了由CO₂和CH₄转化为高附加值产品CH₃COOH的催化反应历程。该历程示意图如图。

(1)生成 CH₃COOH总反应的原子利用率为______，该催化剂______（填能或不能）有效提高反应物的平衡转化率；

(2)如图是1 mol CH₄完全燃烧生成气态水的能量变化和1molS（g）燃烧的能量变化

①CH₄完全燃烧的活化能是______kJ/mol。

②在催化剂作用下，CH₄可以还原SO₂生成单质S（g）、H₂O（g）和CO₂，写出该反应的热化学方程式______；

(3)在密闭容器中充入2molCH₄（g）和1molO₂（g），在不同条件下反应：2CH₄（g）+O₂（g）⇌2CH₃OH（g），实验测得平衡时甲醇的物质的量随温度、压强的变化如图所示。

①P₁时升高温度n（CH₃OH）______（填“增大”、“减小”或“不变”）；

②E、F、N点对应的化学反应速率由大到小的顺序为______（用v（E）、v（F）、v（N）表示）；

③下列能提高CH₄平衡转化率的措施是______（填序号）；

a．减小压强  b.增大投料比   c.及时分离产物

④若F点n（CH₃OH）=1mol，总压强为2.5MPa，则T₀时F点用分压强代替浓度表示的平衡常数Kp=______。

Answer

100% 不能 126 CH4(g)+2SO2(g)=2S(g)+2H2O(g)+CO2(g)△H=+352kJ/mol 减小 v(N)＞v(F)＞v(E) c 2

【解析】

(1)根据图知，总反应中甲烷和二氧化碳反应生成唯一产物CH3COOH，所有原子完全被利用；催化剂只改变化学反应速率不影响平衡移动；

(2)①活化能是物质发生化学反应需要的最低能量；

②CH4还原SO2生成单质S(g)、H2O(g)和CO2的化学方程式为CH4(g)+2SO2(g)=2S(g)+2H2O(g)+CO2(g)；反应I：CH4(g)+2O2(g)=2H2O(g)+CO2(g)△H=-802kJ/mol，反应II：S(g)+O2(g)=SO2(g)△H=-577kJ/mol
根据盖斯定律反应I-反应II×2计算CH4(g)+2SO2(g)=2S(g)+2H2O(g)+CO2(g)的焓变△H；

(3)①P1时升高温度n(CH3OH)减小；

②相同温度下增大压强平衡正向移动，则n(CH3OH)增大，根据图知，压强P1＞P1，温度越高、压强越大化学反应速率越快，温度对反应速率影响较大；
③改变条件使平衡正向越大但是不能是通过提高CH4浓度实现就能提高甲烷转化率；

④

平衡气体总物质的量=(1+0.5+1)mol=2.5mol，P(CH4)=P(CH3OH)=×2.5MPa=1MPa，则P(O2)=0.5MPa，T0时F点用分压强代替浓度表示的平衡常数Kp= 。

(1)根据图知，总反应中甲烷和二氧化碳反应生成唯一产物CH3COOH，所有原子完全被利用，所以原子利用率为100%；催化剂能同等程度的改变正逆反应速率，所以只改变化学反应速率不影响平衡移动；

(2)①由图可知CH4完全燃烧的活化能是126kJ/mol；

②CH4还原SO2生成单质S(g)、H2O(g)和CO2的化学方程式为CH4(g)+2SO2(g)=2S(g)+2H2O(g)+CO2(g)；反应I：CH4(g)+2O2(g)=2H2O(g)+CO2(g)△H=-802kJ/mol，反应II：S(g)+O2(g)=SO2(g)△H=-577kJ/mol，由盖斯定律反应I-反应II×2计算CH4(g)+2SO2(g)=2S(g)+2H2O(g)+CO2(g)的焓变△H=-802kJ/mol-(-577kJ/mol)×2=+352kJ/mol，热化学方程式为CH4(g)+2SO2(g)=2S(g)+2H2O(g)+CO2(g)△H=+352kJ/mol；

(3)①根据图知，P1时升高温度n(CH3OH)减小；

②相同温度下增大压强平衡正向移动，则n(CH3OH)增大，根据图知，压强P1＞P1，温度越高、压强越大化学反应速率越快，温度对反应速率影响较大，温度：TE=TF＜TN，压强：PE＜PF=PN，所以化学反应速率：v(N)＞v(F)＞v(E)；

③a．减小压强平衡逆向移动，甲烷转化率降低，故a错误；

b．增大投料比，甲烷转化率降低，故b错误；

c．及时分离产物，平衡正向移动，则甲烷转化率提高，故c正确；

故答案为：c；

④

平衡气体总物质的量=(1+0.5+1)mol=2.5mol，P(CH4)=P(CH3OH)=×2.5MPa=1MPa，则P(O2)=0.5MPa， T0时F点用分压强代替浓度表示的平衡常数Kp= ==2。