【題目】CO2和甲烷催化合成CO和H2是CO2資源化利用的有效途徑。主要反應(yīng)為

Ⅰ:CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H=+247kJ/mol

(1)已知CH4(g)+H2O(g) CO(g)+H2(g) △H=+206kJ/mol

寫出CH4和水蒸氣反應(yīng)生成CO2的熱化學(xué)方程式_________

(2)在恒溫、恒容的密閉容器中發(fā)生反應(yīng)I,下列選項能夠說明反應(yīng)I達(dá)到平衡狀態(tài)的是______。

A.混合氣體的密度不變

B.混合氣體的總壓強(qiáng)不變

C.CH4、CO2、CO、H2的物質(zhì)的量之比為1:1:2:2

D.3V(H2)=V(CH4)

E.混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變

(3)催化合成的溫度通常維持在550-750℃之間,從反應(yīng)速率角度分析其主要原因可能是_________。

(4)將CH4與CO2各1mol充入某密閉容器中,發(fā)生反應(yīng)I。100Kpa時,反應(yīng)I到達(dá)平衡時CO2的體積分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系曲線如圖所示。

①圖中A、B、C三點表示不同溫度、壓強(qiáng)下達(dá)到平衡時CO2的體積分?jǐn)?shù),則______點對應(yīng)的平衡常數(shù)最小,判斷依據(jù)是________;__________點對應(yīng)的壓強(qiáng)最大。

②300℃,100Kpa下,該容器中反應(yīng)I經(jīng)過40min達(dá)到平衡,計算反應(yīng)在0-40min內(nèi)的平均反應(yīng)速率為v(CO2)=_________mol/min(結(jié)果保留兩位有效數(shù)字),該溫度下的壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp=________。

(用平衡分壓代替平衡濃度計算,分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))

【答案】 CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165kJ/mol BE 在該溫度范圍內(nèi),催化劑的活性較大,反應(yīng)速率快(合理即給分) A 反應(yīng)I吸熱反應(yīng),溫度降低,平衡常數(shù)減小 C 2.8×10-3 6.25KPa2

【解析】1)已知:①CH4(g)+H2O(g) CO(g)+H2(g) H=+206kJ/mol

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) H=+247kJ/mol

根據(jù)蓋斯定律可知①×2②即得到CH4和水蒸氣反應(yīng)生成CO2的熱化學(xué)方程式為CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165kJ/mol。(2A. 密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值,在反應(yīng)過程中質(zhì)量和容積始終是不變的,因此混合氣體的密度不變不能說明,A錯誤;B.正反應(yīng)體積增大,則混合氣體的總壓強(qiáng)不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),B正確;C.CH4CO2、CO、H2的物質(zhì)的量之比為1:1:2:2不能說明正逆反應(yīng)速率相等,則不一定處于平衡狀態(tài),C錯誤;D.3V(H2)=V(CH4)不能滿足反應(yīng)速率之比是化學(xué)計量數(shù)之比,沒有達(dá)到平衡狀態(tài),D錯誤;E. 混合氣的平均相對分子質(zhì)量是混合氣的質(zhì)量和混合氣的總的物質(zhì)的量的比值,質(zhì)量不變,但物質(zhì)的量是變化的,所以混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變說明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài),E正確;答案選BE;(3)催化劑的活性受溫度影響較大,因此主要原因可能是在該溫度范圍內(nèi),催化劑的活性較大,反應(yīng)速率快。(4①由于反應(yīng)I吸熱反應(yīng),溫度降低,平衡常數(shù)減小,所以A點對應(yīng)的平衡常數(shù)最。C點溫度最高,反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率最大,由于正反應(yīng)體積增大,則C點對應(yīng)的壓強(qiáng)最大。②根據(jù)方程式可知:

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始量(mol1 1 0 0

轉(zhuǎn)化量(molx x 2x 2x

平衡量(mol1x 1x 2x 2x

300,100Kpa下平衡時CO2體積分?jǐn)?shù)是0.4,則,解得x1/9,則在0-40min內(nèi)的平均反應(yīng)速率為v(CO2)=1/(9×40)2.8×10-3mol/min,該溫度下的壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp=6.25KPa2。

練習(xí)冊系列答案
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