Question

为解决燃料危机和温室效应，科学家尝试用CO₂与CH₄制取CO和H₂。

（1）已知：①CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)      ΔH₁=+206.1kJ·mol^-1

②2H₂(g)+CO(g)CH₃OH(1)      ΔH₂=－128.3kJ·mol^-1

③2H₂(g)+O2(g)2H₂O(g)      ΔH₃=－483.6kJ·mol^-1

④2CH₄(g)+O₂(g)2CH₃OH(1)     △H₄

在合适的催化剂作用下，采用甲烷和氧气一步合成液态甲醇在低温下能否自发进行____(填“能”或“否”)，理由是____。

（2）某温度下，CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)，将1molCH₄(g)和1molH₂O(g)加入100kPa的密闭容器中，正反应速率v_正=k_正×p(CH₄)×p(H₂O)，逆反应速率v_逆=k_逆×p(CO)×p³(H₂)，p为分压(分压=总压×物质的量分数)，则该反应的压强平衡常数K_p=____(以k_正、k_逆表示)。若k_正=4.4×10⁴kPa^-1·s^-1，当CH₄分解20%时，v_正=____kPa·s^-1（保留两位有效数字）。

（3）CO₂用于生产乙烯，已知：2CO₂(g)+6H₂(g)CH₂=CH₂(g)+4H₂O(g)    ΔH=QkJ/mol。

一定条件下，按不同的投料比向某容积可变的恒压密闭容器中充入CO₂、H₂，测得不同投料比时CO₂的转化率与温度的关系如图所示。

①X₁____X₂（填“＞”或“＜”，后同），Q____0。

②图中A、B、C三点对应的平衡常数K_A、K_B、K_C的大小关系为_____。

（4）常温下，用NaOH溶液作CO₂捕捉剂不仅可以降低碳排放，而且可得到重要的化工产品Na₂CO₃。

①若某次捕捉后得到pH=10的溶液，则溶液中c(CO₃^2-)∶c(HCO₃^-)=____。

[常温下K₁(H₂CO₃)=4.4×10^-7、K₂(H₂CO₃)=5×10^-11]。

②欲用5LNa₂CO₃溶液将23.3gBaSO₄固体全都转化为BaCO₃，则所用的Na₂CO₃溶液的物质的量浓度至少为____。[已知：常温下K_sp(BaSO₄)=1×10^-7、K_sp(BaCO₃)=2.5×10^-6]。(忽略溶液体积的变化)

Answer

能 2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H4=-328.0kJ·mol-1<0，根据方程式可判断反应的△S<0，故在低温时能自发进行 4.9×107 kPa·s-1 > < KA>KB=KC 1∶2 0.52mol/L

【解析】

（1）将①②③式作如下处理得到④式：①×2+②×2+③=④，所以△H4=2ΔH1+2ΔH2+ΔH3=2×(+206.1kJ·mol-1)-2×(－128.3kJ·mol-1)- 483.6kJ·mol-1=-328.2 kJ·mol-1，所以2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1)的△H＜0，且该反应是气体分子数减少的反应，熵减，＜0，当ΔH-TΔS＜0时，反应能自发进行，即T比较小的时候才能满足，所以低温时，能自发进行，故答案为：能；2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H4=-328.0kJ·mol-1<0，根据方程式可判断反应的△S<0，故在低温时能自发进行；

（2）因为正反应速率v正=k正×p(CH4)×p(H2O)，逆反应速率v逆=k逆×p(CO)×p3(H2)，所以p(CH4)×p(H2O)=，p(CO)×p3(H2)=，由CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)可知，Kp=== ，平衡时：，所以Kp=，将1molCH4(g)和1molH2O(g)加入100kPa的密闭容器中，CH4分解20%时有 ，总压=100 kPa，所以CH4分解20%时p(CH4)=100 kPa×=kPa，p(H2O)= 100 kPa×=kPa，v正=k正×p(CH4)×p(H2O)=4.4×104kPa-1·s-1×kPa×kPa≈4.9×107 kPa·s-1，故答案为：；4.9×107 kPa·s-1；

（3）①当其他条件一定时，充入的H2量越多，CO2转化率越高，对应的X越大，则X1>X2，在其它条件不变时，结合图象可知：温度升高，CO2的转化率降低，可推知该反应的正反应是放热反应，则Q＜0，故答案为：﹥；﹤；

②结合图象可知该反应的正反应为放热反应，温度升高，平衡逆向移动，该反应的化学平衡常数减小，而且化学平衡常数只与温度有关，根据图象知A点的温度低于B、C两点，而且B、C两点温度相同，则三点对应的平衡常数的大小关系为：KA>KB=KC，故答案为：KA>KB=KC；

（4）①由题意pH=10，可计算c(H+)=1×10−10mol/L，由HCOCO+H+可得：Ka2==5×10−11，所以=1∶2，故答案为：1∶2；

②设至少需要物质的量浓度为xmol/L的Na2CO3溶液，当BaSO4完全溶解后，23.3gBaSO4的物质的量为n(BaSO4)=23.3g÷233g/mol=0.1mol，所得5L溶液中c(SO)=0.1mol÷5L=0.02mol/L，此时溶液中c(CO)=(x-0.02)mol/L，由BaSO4+CO=BaCO3+SO可知，此反应的化学平衡常数K==0.04=；②设至少需要物质的量浓度为xmol/L的Na2CO3溶液，当BaSO4完全溶解后，所得5L溶液中c（SO）=0.02mol/L，此时溶液中c(CO)=(x-0.02)mol/L，由BaSO4+CO=BaCO3+SO可知，此反应的化学平衡常数K==0.04=，解得x=0.52mol/L，故答案为：0.52 mol/L。