Question

2019年10月22日，位于资阳市境内的“安岳气田”天然气产量达到10.33亿立方米，历史性突破10亿立方米大关。“安岳气田”的开发，将惠及川渝地区天然气供给，促进地方经济社会的发展。对天然气的高效利用不仅能缓解大气变暖，而且对日益枯竭的石油资源也有一定的补充作用。

(1)已知甲烷临氧耦合CO₂重整反应有：

反应I：2CH₄(g)＋O₂(g)2CO(g)＋4H₂(g)     △H＝－71.4 kJ·mol^－1

反应II：CH₄(g)＋CO₂(g)2CO(g)＋2H₂(g)     △H＝＋247.0 kJ·mol^－1

已知断裂1 mol化学键所需的能量：

①a＝_________。

②写出表示CO燃烧热的热化学方程式：____________________________________。

(2)在两个体积均为2L的恒容密闭容器中，起始时按表中相应的量加入物质，在温度为753K下进行(1)中反应II(不发生其它反应)，CO₂的平衡转化率如下表所示：

①若容器A中反应从开始到平衡所用的时间为t min，则t min内该反应的平均反应速率为：v(CO₂)＝_________(用含t的表达式表示)。

②温度为753K时该反应的平衡常数K＝_________；容器B中的反应起始时将_________移动(填“正向”、“逆向”或“不”)。

③该反应达到平衡时，其他条件不变，若升高温度，此时v_正_________ v_逆(填“>”、“＝”或“<”)。

④当容器A、B中的反应均达到平衡时，容器中n(CO)满足的关系：2n(CO)_A______n(CO)_B(填“>”、“＝”或“<”)。

(3)将CH₄(g)和O₂(g)以物质的量比为4：3充入盛有催化剂的恒容密闭容器内，发生(1)中反应I，相同时间段内测得CO的体积分数[φ(CO)]与温度(T)的关系如图如示。

bc段CO的体积分数[φ(CO)]降低的主要原因是____________________________________。

Answer

996.5 CO(g)＋1/2O2(g)= CO2(g) △H= -282.7 kJ·mol－1 0.25/t(mol·L-1·min-1) 1 逆向 > > b点反应达到平衡后，因为正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，故温度越高，CO的体积分数就越小

【解析】

（1）①反应II的△H＝E(反应物的总键能)-E(生成物的总键能)；

②(反应I)×(1/2)-( 反应II)得：CO(g)＋1/2O2(g)= CO2(g)；

（2）①容器A中反应从开始到平衡所用的时间为t min，CO2的平衡转化率为50%，可以计算出反应中消耗CO2的物质的量，然后计算出反应速率；

②结合图中CO2的平衡转化率为50%，计算出平衡时c(CH4)、c(CO2)、c(CO)、c(H2)，求出K；利用Qc与K的大小关系判断v正、v逆大小；

③因为该反应正反应为吸热反应，该反应达到平衡时，其他条件不变，若升高温度，平衡向正向移动；

④由②可知当容器A、B中的反应均达到平衡时，容器中n(CO)满足的关系；

（3）结合图像和题中信息判断。

（1）①反应II的△H＝E(反应物的总键能)-E(生成物的总键能)=(4×414+2×728)-(2a+2×436)= ＋247.0，a=996.5；

②(反应I)×)-( 反应II)得：CO(g)＋1/2O2(g)= CO2(g) △H＝(1/2) ×(－71.4 kJ·mol－1) -( ＋247.0 kJ·mol－1)= -282.7 kJ·mol－1；

（2）①容器A中反应从开始到平衡所用的时间为t min，CO2的平衡转化率为50%，反应中消耗CO2的物质的量为0.5mol，v(CO2)＝(0.5mol)/[( 2L) ×(t min)]=0.25/t(mol·L-1·min-1)；

②CH4(g)＋CO2(g)2CO(g)＋2H2(g)，CO2的平衡转化率为50%，故平衡时n(CH4)=n(CO2)= 0.5mol，n(CO)=n(H2)=1mol，c(CH4)=c(CO2)==0.25mol/L，c(CO)=c(H2)==0.5mol/L，该反应的平衡常数K＝(0.52×0.52)/(0.25×0.25)=1；容器B中的c(CH4)=c(CO2)= =0.5mol/L，c(CO)=c(H2)==1mol/L，Qc=(12×12)/(0.5×0.5)=4>K，故容器B中的反应起始时将逆向移动；

③因为该反应正反应为吸热反应，该反应达到平衡时，其他条件不变，若升高温度，平衡向正向移动，v正> v逆；

④由②可知当容器A、B中的反应均达到平衡时，容器中n(CO)满足的关系：2n(CO)A>n(CO)B；

（3）T2之前，反应没有达到平衡，温度越高，反应速率越快，相同时间内生成的CO越多，b点反应达到平衡后，因为正反应为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，故温度越高，CO的体积分数就越小。