Question

科学家研究出一种以天然气为燃料的“燃烧前捕获系统”，其简单流程如图所示(条件及物质未标出)。

(1)已知：CH₄、CO、H₂的燃烧热分别为890.3 kJ·mol^－1、283.0 kJ·mol^－1、285.8 kJ·mol^－1，则上述流程中第一步反应2CH₄(g)＋O₂(g)===2CO(g)＋4H₂(g)的ΔH＝______________。

(2)工业上可用H₂和CO₂制备甲醇，其反应方程式为CO₂(g)＋3H₂(g)CH₃OH(g)＋H₂O(g)，某温度下，将1 mol CO₂和3 mol H₂充入体积不变的2 L密闭容器中，发生上述反应，测得不同时刻反应前后的压强关系如下表：

时间/h	1	2	3	4	5	6
	0.90	0.85	0.83	0.81	0.80	0.80

①用H₂表示前2 h 的平均反应速率v(H₂)＝_________________________________；

②该温度下，CO₂的平衡转化率为________。

(3)在300 ℃、8 MPa下，将CO₂和H₂按物质的量之比1∶3 通入一密闭容器中发生(2)中反应，达到平衡时，测得CO₂的平衡转化率为50%，则该反应条件下的平衡常数为K_p＝________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)。

(4)CO₂经催化加氢可合成低碳烯烃：2CO₂(g)＋6H₂(g)C₂H₄(g)＋4H₂O(g)　ΔH。在0.1 MPa时，按n(CO₂)∶n(H₂)＝1∶3投料，如图所示为不同温度(T)下，平衡时四种气态物质的物质的量(n)关系。

①该反应的ΔH________0(填“＞”或“＜”)。

②曲线c表示的物质为________。

③为提高H₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施______________。（答出一条即可）

Answer

－71.4 kJ·mol－1 0.225 mol·L－1·h－1 40% < C2H4 加压(或不断分离出水蒸气)

【解析】

(1)利用燃烧热写出热化学方程式，再根据盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
(2)①反应速率v=计算得到；

②反应物转化率=×100%；

(3)三段式列式计算平衡时气体物质的量，压强之比等于气体物质的量之比，计算得到各气体的分压，结合平衡常数概念计算；

(4)①由图可知，升高温度，氢气物质的量增大，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应；

②升高温度平衡逆向移动，a曲线随着温度升高，物质的量增大，为二氧化碳，b、c随着温度升高其物质的量降低，为生成物水、乙烯，但水的变化量大于乙烯；

③为提高H2的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强。

(1)在101kPa下，CH4、CO、H2的燃烧热(△H)分别为−890.3kJ/mol、−283kJ/mol、−285.8kJ/mol，它们的热化学反应方程式分别为：

①CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)△H=−890.3kJ/mol；

②CO(g)+ O2(g)═CO2(g)△H=−283kJ/mol；

③H2(g)+ O2(g)═H2O(l)△H=−285.8kJ/mol；

根据盖斯定律，由①×2−②×2−③×4得2CH4(g)+O2(g)═2CO(g)+4H2(g)△H═[(−890.3kJ/mol×2)−(−283kJ/mol)×2]−(−285.8kJ/mol×4)=−71.4kJ/mol；

(2)①设反应的二氧化碳物质的量为x，气体压强之比等于气体物质的量之比，

P后：P前=(4−2x)：(1+3) =0.85，解得：x=0.3mol，则用氢气表示前2小时反应平均速率v(H2)==0.225mol/(L⋅h)；

②反应达到平衡状态时，二氧化碳反应物质的量为y，

P后：P前=(4−2y)：(1+3) =0.8，解得：y=0.4mol该温度下CO2的平衡转化率=×100%=40%；

(3)若反应条件为压强8MPa，300℃的反应温度下二氧化碳和氢气按1:3的比例通入，测得二氧化碳的平衡转化率为50%，结合三段式列式计算，

分压=总压×物质的量分数，物质的量分数=，故P(CO2)=，P(H2)=，P(CH3OH)=，P(H2O)=Kp==(MPa)−2；

(4)①由图可知，升高温度，氢气物质的量增大，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应，故△H＜0；

②根据图知，升高温度,氢气物质的量增大，说明平衡逆向移动，则正反应是放热反应；a曲线随着温度升高，物质的量增大，为二氧化碳，b、c随着温度升高其物质的量降低，为生成物水、乙烯，但水的变化量大于乙烯，所以c曲线代表C2H4；

③由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应放热，该反应为气态分子数减小的反应，为提高H2的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强,或不断分离出水,平衡向右移动，H2的平衡转化率增大。