Question

【題目】一種通過鐵基氧載體（Fe3O4/FeO)深度還原和再生來合成二甲醚（CH3OCH3) 的原理如圖：

（1）CH4氧化器中發(fā)生的主反應(yīng)：

i.CH4(g)+Fe3O4(s)=CO(g)+2H2(g)+3FeO(s)

ii.CH4(g)+4Fe3O4(s)=CO2(g)+2H2O(g)+12FeO(s)

850℃時(shí)，壓強(qiáng)和部分氣體體積分?jǐn)?shù)、固相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖。

①隨著壓強(qiáng)的增大，反應(yīng)i的平衡常數(shù)K值___(填“增大”、“減小”或“不變”)。

②結(jié)合圖像，分析H2O的體積分?jǐn)?shù)變化的原因___(用化學(xué)方程式表示）。

（2）將一定量的FeO和CO2置于CO2還原器（體積不變的密閉容器）中，發(fā)生的主反應(yīng)：CO2(g)+3FeO(s)=Fe3O4(s)+CO(g)。保持其他條件不變，測(cè)得不同溫度下最終反應(yīng)體系中CO、CO2體積分?jǐn)?shù)如表。

溫度t/℃	100	170	200	300	400	500
CO2體積分?jǐn)?shù)	0.67	0.67	0.75	0.82	0.9	0.92
CO體積分?jǐn)?shù)	0.33	0.33	0.25	0.18	0.1	0.08

①△H2___0(填“＞”或“＜”)。

②由上表可知，若在150℃時(shí)進(jìn)行上述轉(zhuǎn)化，理論轉(zhuǎn)化率α(FeO)為100%。在上述反應(yīng)體系中，一定可以說明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是___(填標(biāo)號(hào)）。

A.CO2的物質(zhì)的量不變 B.體系的壓強(qiáng)不變

C.氣體的平均摩爾質(zhì)量不變 D.CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零

③根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分析CO2還原器溫度設(shè)置在170℃的原因___。

Answer 1

【答案】不變 Fe3O4+H2 3FeO+H2O < AD 溫度過高，CO2的轉(zhuǎn)化率低，溫度過低，反應(yīng)速率比較慢

【解析】

（1）①化學(xué)平衡常數(shù)K只隨溫度的改變而改變；

②根據(jù)圖象分析，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H2的含量降低，H2O的含量增大，可推斷反應(yīng)過程中H2轉(zhuǎn)化為了H2O，發(fā)生的反應(yīng)為Fe3O4和H2反應(yīng)生成FeO和H2O，據(jù)此寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式；

（2）①根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析，隨著反應(yīng)溫度的上升，平衡時(shí)CO2的體積分?jǐn)?shù)上升，CO的體積分?jǐn)?shù)下降，表明化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，據(jù)此判斷反應(yīng)的焓變情況；

②反應(yīng)為CO2（g）+3FeO（s）Fe3O4（s）+CO （g），是氣體數(shù)不變的反應(yīng)，壓強(qiáng)變化不對(duì)平衡常產(chǎn)生影響，結(jié)合焓變情況分析溫度變化的影響，據(jù)此判斷反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志；

③根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，CO2還原器溫度設(shè)置在170℃的原因，可考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)趨勢(shì)。

（1）①化學(xué)平衡常數(shù)K只隨溫度的改變而改變，所以隨著壓強(qiáng)的增大，反應(yīng)ⅰ的平衡常數(shù)K值不變，故答案為：不變；

②根據(jù)圖象分析，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H2的含量降低，H2O的含量增大，可推斷反應(yīng)過程中H2轉(zhuǎn)化為了H2O，發(fā)生的反應(yīng)為Fe3O4和H2反應(yīng)生成FeO和H2O，則發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Fe3O4+H2 3FeO+H2O，故答案為：Fe3O4+H2 3FeO+H2O；

（2）①根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析，隨著反應(yīng)溫度的上升，平衡時(shí)CO2的體積分?jǐn)?shù)上升，CO的體積分?jǐn)?shù)下降，表明化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以升高溫度，化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，表明正反應(yīng)方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)，所以反應(yīng)的焓變△H<0，故答案為：<；

②反應(yīng)為CO2(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+CO (g)，是氣體數(shù)不變的反應(yīng)，壓強(qiáng)變化不對(duì)平衡常產(chǎn)生影響，該反應(yīng)的焓變△H<0，反應(yīng)為放熱反應(yīng)；

A. CO2的物質(zhì)的量不變，達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，該反應(yīng)的CO2的物質(zhì)的量不發(fā)生改變，可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故A正確；

B. 體系的壓強(qiáng)整個(gè)反應(yīng)過程不發(fā)生改變，根據(jù)壓強(qiáng)不能判斷反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡，故B錯(cuò)誤；

C. 100-170℃，升高溫度，轉(zhuǎn)化率100%，量沒有發(fā)生變化，但沒有達(dá)到平衡狀態(tài)，故C錯(cuò)誤；

D. CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零，可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故D正確。故答案為：AD；

③根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，CO2還原器溫度設(shè)置在170℃的原因，可考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)趨勢(shì)，溫度過高，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng),導(dǎo)致CO2的轉(zhuǎn)化率低，溫度過低，反應(yīng)速率比較慢，故答案為：溫度過高，CO2的轉(zhuǎn)化率低，溫度過低，反應(yīng)速率比較慢。