Question

运用化学链燃烧技术有利于提高燃料利用率。化学链燃烧技术的基本原理是借助载氧剂（如Fe₂O₃、FeO等）将燃料与空气直接接触的传统燃烧反应分解为几个气固反应，燃料与空气无须接触，由载氧剂将空气中的氧气传递给燃料。回答下列问题：

以Fe₂O₃作载氧剂的化学链燃烧循环转化反应的部分热化学方程式如下，循环转化的原理如图1所示。

①C(s)+H₂O(g)═CO(g)+H₂(g)△H₁＝akJ•mol^﹣1

②CO(g)+2H₂(g)+O₂(g)═CO₂(g)+H₂O(g)△H₂＝bkJ•mol^﹣1

（1）写出图1中总反应的热化学方程式：_____

（2）空气经反应器A后得到的尾气_____（填“能”或“不能”）直接用作工业合成氨的原料气，原因是_____。

Ⅱ．用FeO作载氧剂，部分反应的lgK_p[K是用平衡分压（平衡分压＝总压×物质的量分数）代替平衡浓度]与温度的关系如图2所示。

  

（3）图2涉及的反应中，属于吸热反应的是反应_____（填字母）。

（4）R点对应温度下，向某恒容密闭容器中通入1mol CO，并加入足量的FeO，只发生反应CO(g)+FeO(s)⇌Fe(s)+CO₂(g)，则CO的平衡转化率为_____。

Ⅲ．在T℃下，向某恒容密闭容器中加入1mol CH₄(g)和4mol FeO(s)进行反应：CH₄(g)+4FeO(s)⇌4Fe(s)+2H₂O(g)+CO₂(g)。反应起始时压强为p₀，反应进行至10min时达到平衡状态，测得此时容器的气体压强是起始压强的2倍。

（5）T℃下，该反应的K_p＝_____。

（6）若起始时向该容器中加入1mol CH₄(g)，4mol FeO(s)，1mol H₂O(g)，0.5mol CO₂(g)，此时反应向_____（填“正反应”或“逆反应”）方向进行。

（7）其他条件不变，若将该容器改为恒压密闭容器，则此时CH₄(g)的平衡转化率_____（填“增大”“减小”或“不变”）。

Answer

C(s)+O2(g)＝CO2(g)，△H3＝(a+b)kJ/mol 不能 反应器A得到的尾气中含有少量氧气，氧气与氢气混合可能发生爆炸 bc 50% 正反应 增大

【解析】

根据盖斯定律进行计算；氢气和氧气混合后有可能达到爆炸极限；根据平衡常数随温度的变化关系判断反应的热效应；根据信息中平衡常数的计算公式进行计算；根据分压商与平衡常数的大小关系判断反应进行的方向；根据压强对化学平衡的影响分析转化率的变化。

（1）以Fe2O3作载氧剂的化学链燃烧循环转化反应的部分热化学方程式如下:

①C(s)+H2O(g)═CO(g)+H2(g)△H1＝akJ•mol﹣1

②CO(g)+2H2(g)+O2(g)═CO2(g)+H2O(g)△H2＝bkJ•mol﹣1

根据盖斯定律，由①+②可得图1中总反应的热化学方程式C(s)+O2(g)＝CO2(g)，△H3＝(a+b)kJ/mol。

（2）由图中信息可知，空气经反应器A后得到的尾气含氮气和少量氧气，不能直接用作工业合成氨的原料气，原因是：反应器A得到的尾气中含有少量氧气，氧气与氢气混合可能发生爆炸。

（3）由图中信息可知，图2涉及的反应中，反应b和c的lgKp随温度升高而增大，说明这两个反应的化学平衡常数同样随温度升高而增大，故其属于吸热反应，选bc。

（4）R点对应温度下，向某恒容密闭容器中通入1mol CO，并加入足量的FeO，只发生反应CO(g)+FeO(s)⇌Fe(s)+CO2(g)。由图中信息可知，R点对应的lgKp=0，则Kp=1。由于该反应的Kp= K==1，则c(CO2)=c(CO)，根据C原子守恒可知，CO的平衡转化率为。

（5）在T℃下，向某恒容密闭容器中加入1mol CH4(g)和4mol FeO(s)进行反应：CH4(g)+4FeO(s)⇌4Fe(s)+2H2O(g)+CO2(g)。反应起始时压强为p0，反应进行至10min时达到平衡状态，测得此时容器的气体压强是起始压强的2倍。在同温同体积条件下，气体的压强之比其等于物质的量之比，则平衡后气体的总物质的量为2mol。设甲烷的变化量为x，则H2O(g)和CO2(g)的变化量为2x和x，CH4(g)、H2O(g)、CO2(g)的平衡量分别为(1mol-x)、2x、x，故有(1mol-x)+2x+x=2mol，解之得，x=0.5mol，平衡状态下的总压为2 p0，CH4(g)、H2O(g)、CO2(g)的物质的量分数分别为、、，所以，T℃下，该反应的Kp＝。

（6）若起始时向该容器中加入1mol CH4(g)，4mol FeO(s)，1mol H2O(g)，0.5mol CO2(g)，此时气体的总物质的量为2.5mol，则气体的总压为2.5 p0，CH4(g)、H2O(g)、CO2(g)的物质的量分数分别为、、，气体的分压商Qp=0.5＜Kp，则反应向正反应方向进行。

（7）由于正反应方向是气体分子数增大的方向，其他条件不变，若将该容器改为恒压密闭容器，则相当于在原平衡的基础上减压，平衡向正反应方向移动，此时CH4(g)的平衡转化率增大。