Question

研究CO₂与CH₄反应使之转化为CO和H₂，对减缓燃料危机和减少温室效应具有重要的意义。工业上CO₂与CH4发生反应I：CH₄(g)+CO₂(g)＝2CO(g)+2H₂(g) △H₁

在反应过程中还发生反应Ⅱ：H₂(g)+CO₂(g)＝H₂O(g)+CO(g)  △H₂=+41kJ/mol

(l)已知部分化学键的键能数据如下表所示：

化学键	C—H	H—H	C=O
键能（kJ/mol）	413	436	803	1076

则△H_l =____kJ/mol，反应Ⅰ在一定条件下能够自发进行的原因是____，该反应工业生产适宜的温度和压强为____（填标号）。

A.高温高压    B．高温低压    C．低温高压    D．低温低压

(2)工业上将CH₄与CO₂按物质的量1:1投料制取CO₂和H₂时，CH₄和CO₂的平衡转化率随温度变化关系如图所示。

①923K时CO₂的平衡转化率大于CH₄的原因是________________________

②计算923K时反应II的化学平衡常数K=______（计算结果保留小数点后两位）。

③1200K以上CO₂和CH₄的平衡转化率趋于相等的原因可能是____。

(3)工业上CH₄和CO₂反应时通常会掺入O₂发生反应

III: CH₄+2O₂＝CO₂+2H₂O，掺人O₂可消除反应产生的积碳和减小反应器的热负荷（单位时间内维持反应发生所需供给的热量），O₂的进气量与反应的热负荷的关系如图所示。

①随着O₂进入量的增加，热负荷下降的原因是  ____。

②掺人O₂可使CH₄的平衡转化率____（填“增大”、“减小”或“不变”。下同），CO₂的平衡转化率________

Answer

+234 △S>0 B CH4和CO2按1:1投料发生反应I时转化率相等，CO2还发生反应II，所以平衡转化率大于CH4 0.39 1200K以上时以反应I为主，二者转化率趋于相等（或1200K以上时反应I的正向进行程度远大于反应II）（或1200K以上时反应I的平衡常数远大于反应II） 反应III放热，给反应体系提供能量，使热负荷降低 增大 减小

【解析】

(l)已知部分化学键的键能，通过反应物的总键能减去生成物的总键能可以计算

△Hl，从焓变和熵变综合判断反应Ⅰ自发反应的原因，从平衡移动角度来判断反应条件；

(2)工业上将CH4与CO2按物质的量1:1投料,发生反应Ⅰ、II，则

①923K时CO2的平衡转化率大于CH4的原因从二者实际参加的反应来讨论；

②从图、及题干中提供的数据结合反应Ⅰ、II，用三段式按定义计算923K时反应II的化学平衡常数K；

③1200K以上CO2和CH4的平衡转化率趋于相等的原因还是从实际参加的反应来讨论；

(3)工业上CH4和CO2反应时通常会掺入O2，则发生反应 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O；

①按热负荷的定义——单位时间内维持反应发生所需供给的热量以及O2的进气量与反应III放出的热量关系，据此解题；

②发生反应 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O，分析甲烷、二氧化碳的物质的量及消耗量，分析CH4的平衡转化率和CO2的平衡转化率受到的影响；

(l)已知部分化学键的键能，焓变等于反应物的总键能减去生成物的总键能，则△Hl=；

答案为：+234；

反应I：CH4(g)+CO2(g)＝2CO(g)+2H2(g) △H1，△S>0，因此△S>0是反应Ⅰ自发反应的原因，该反应是吸热、气体分子总数增大的反应，因此，选择高温低压的条件；

答案为：△S>0； B；

(2)①923K时反应Ⅰ中CH4和CO2的平衡转化率是一样的，但是，二氧化碳还参加反应II，因此其平衡转化率大于CH4；

答案为：CH4和CO2按1:1投料发生反应I时转化率相等，CO2还发生反应II，所以平衡转化率大于CH4；

②CH4和CO2按1:1投料，设投料时的物质的量浓度为1mol/L，由图知CH4和CO2的转化率为60%、70%，则发生反应I时

发生反应II:;

答案为：0.39；

③反应I中CO2和CH4的平衡转化率相等，1200K以上CO2和CH4的平衡转化率趋于相等则意味着该条件对反应I更有利，以反应I为主；

答案为：1200K以上时以反应I为主，二者转化率趋于相等（或1200K以上时反应I的正向进行程度远大于反应II）（或1200K以上时反应I的平衡常数远大于反应II）；

(3)工业上CH4和CO2反应时通常会掺入O2，则发生反应 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O，

①反应III是放热反应，给反应体系提供能量，通入氧气越多反应中放出的热量越多，则热负荷值越小；

答案为：反应III放热，给反应体系提供能量，使热负荷降低；

②发生反应 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O，促进甲烷消耗，则CH4的平衡转化率增大；

答案为：增大；

发生反应 III: CH4+2O2＝CO2+2H2O不利于反应I，减少了二氧化碳的消耗量，又使二氧化碳浓度增大，因此二氧化碳的平衡转化率下降；

答案为：减小。