Question

10．二氧化碳重整甲烷不僅可以獲得合成氣（CO和H₂）還可減少溫室氣體排放．回答下列問題：
（1）已知斷裂1mol化學(xué)鍵所需的能量如表：（CO的化學(xué)鍵近似表示為CO）：

化學(xué)鍵	C≡O(shè)	C=O	C-H	H-H
能量/kJ•mol-1	1074	803	413	436

則反應(yīng)CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+238KJ/molkJ•mol^-1．
（2）在T℃時，向恒溫4L的密閉容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．達(dá)平衡時H₂的體積分?jǐn)?shù)為0.4，若再向容器中同時充入2mol CO₂、6molCH₄、4molCO和8molH₂，則上述平衡向逆反應(yīng)（填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”）方向移動．
（3）CH₄/CO₂重整反應(yīng)通過熱力學(xué)計算可得到的圖象之一如圖1．實(shí)際生產(chǎn)中有C、H₂O（g）等生成，生成碳的反應(yīng)之一為CH₄（g）?C（s）+2H₂（g），600℃之后，C的物質(zhì)的量減少，請用方程式表示C減少的原因C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO．

（4）不同溫度對CO₂的轉(zhuǎn)化率及催化劑的效率影響如圖2所示，下列有關(guān)說法不正確的是①②④（填序號）．
①不同條件下反應(yīng)，N點(diǎn)的速率最大
②溫度低于250℃時，隨溫度升高乙烯的產(chǎn)率增大
③M點(diǎn)時平衡常數(shù)比N點(diǎn)時平衡常數(shù)大
④實(shí)際反應(yīng)應(yīng)盡可能在較低的溫度下進(jìn)行，以提高CO₂的轉(zhuǎn)化率
（5）已知某溫度下CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為K₁
H₂O（g）+CH₄（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)為K₂
C（s）+H₂O（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為K₃
則反映C（g）+CO₂（g）?2CO（g） 的平衡常數(shù)為K為$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$（用K₁、K₂、K₃表示）

Answer 1

分析 （1）化學(xué)反應(yīng)中的熱量=反應(yīng)物鍵能總和-生成物鍵能總和；
（2）比較體系的濃度商與化學(xué)平衡常數(shù)，判斷化學(xué)平衡移動方向；
（3）據(jù)C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO來分析；
（4）①溫度越高，反應(yīng)速率越大；
②該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向移動；
③反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度升高平衡逆向進(jìn)行；
④溫度越低催化劑活性越小，反應(yīng)速率越慢；
（5）①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為K₁=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$，
②H₂O（g）+CH₄（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)為K₂=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}$，
③C（g）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）的平衡常數(shù)為K₃=$\frac{c（CO）c（{H}_{2}）}{c（C）c（{H}_{2}O）}$，則反映C（g）+CO₂（g）?2CO（g）K=$\frac{{c}^{2}（CO）}{c（C）c（C{O}_{2}）}$=$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$，據(jù)此進(jìn)行分析；

解答 解：（1）反應(yīng)過程中能量變化分析可知，CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），故△H=4×413KJ/mol+2×803KJ/mol-2×1074KJ/mol-2×436KJ/mol=+238KJ/mol，
故答案為：+238KJ/mol；
（2）達(dá)平衡時H₂的體積分?jǐn)?shù)為0.4，故n平（H₂）=0.4×（6mol+6mol）=4.8mol，c平（H₂）=$\frac{4.8mol}{4L}$=1.2mol/L，
                CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
開始（c）  1.5             1.5             0              0
變化          0.6             0.6           1.2           1.2
平衡          0.9             0.9            1.2          1.2，故k$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）•c（C{H}_{4}）}$=$\frac{1．{2}^{2}×1．{2}^{2}}{0.9×0.9}$=2.56，同時充入2.0mol CO₂、6.0mol CH₄、4.0mol CO和8.0mol H₂，則各物質(zhì)濃度分別為：c（CO₂）=0.5mol/L，c（CH₄）=1.5mol/L，c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2mol/L，濃度商$\frac{{1}^{2}×{2}^{2}}{0.5×1.5}$=5.33＞2.56，即化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動，
故答案為：逆反應(yīng)；
（3）C減少的原因是C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO，
故答案為：C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO；
（4）①溫度越高，反應(yīng)速率越大，但M、N點(diǎn)溫度、催化劑均不同，則N點(diǎn)速率不最大，故①不正確；
②溫度低于250℃時，隨溫度升高平衡逆向進(jìn)行乙烯的產(chǎn)率減小，故②不正確；
③升高溫度二氧化碳的平衡轉(zhuǎn)化率減低，則升溫平衡逆向移動，所以M化學(xué)平衡常數(shù)大于N，故③正確；
④為提高CO₂的轉(zhuǎn)化率，平衡正向進(jìn)行，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，低的溫度下進(jìn)行反應(yīng)，平衡正向進(jìn)行，但催化劑的活性、反應(yīng)速率減小，故④不正確；
故答案為：①②④；
（5）①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為K₁=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$，
②H₂O（g）+CH₄（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常數(shù)為K₂=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}$，
③C（g）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）的平衡常數(shù)為K₃=$\frac{c（CO）c（{H}_{2}）}{c（C）c（{H}_{2}O）}$，則反應(yīng)C（g）+CO₂（g）?2CO（g）K=$\frac{{c}^{2}（CO）}{c（C）c（C{O}_{2}）}$=$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$，
故答案為：$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$．

點(diǎn)評 本題考查蓋斯定律、電解原理、化學(xué)平衡計算等知識點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生圖象分析、計算能力，明確化學(xué)反應(yīng)原理、電解原理是解本題關(guān)鍵，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式的書寫，題目難度不大．