Question

【題目】甲烷是一種重要的化工原料和清潔能源，研究其再生及合理利用有重要意義。

請(qǐng)回答：

(1)已知一定條件下發(fā)生如下反應(yīng)：

CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g) △H=+802kJ·mol－1。

將一定量的CO2(g)和H2O(g)充入10L密閉容器中，分別在催化劑M、N的作用下發(fā)生上述反應(yīng)，CH4(g)的產(chǎn)量(n)與光照時(shí)間(t)和溫度(T)變化的關(guān)系如圖1所示。

①若甲烷的燃燒熱(△H)為－890kJ·mol－1，則水的汽化熱△H=___________。(汽化熱指1mol液體轉(zhuǎn)化為氣體時(shí)吸收的熱量)

②T1℃、催化劑M作用下，0~20h內(nèi)該反應(yīng)速率v(H2O)=___________。

③根據(jù)圖1判斷，T1___________T2(填“＞”“＜”或“=”)，理由為___________。

催化劑的催化效果：M___________N(填“強(qiáng)于”或“弱于”)。

(2)甲烷可用于制備合成氣：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H。將CH4(g)和H2O(g)以物質(zhì)的量之比為1：3充入盛有催化劑的剛性容器中發(fā)生該反應(yīng)。相同時(shí)間段內(nèi)測(cè)得CO的體積分?jǐn)?shù)()與溫度(T)的關(guān)系如圖2所示。

①T0℃時(shí)，CO的體積分?jǐn)?shù)最大的原因?yàn)?/span>_________________________________。

②若T0℃時(shí)，容器內(nèi)起始?jí)簭?qiáng)為p0，CO的平衡體積分?jǐn)?shù)為10%，則反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=___________(用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

Answer 1

【答案】+44 kJmol﹣1 0.006 molL﹣1h﹣1 ＞ 該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度升高，CH4的產(chǎn)量增大 弱于 低于T0 ℃時(shí)，相同時(shí)間段內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快，CO的體積分?jǐn)?shù)越大；高于T0 ℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的體積分?jǐn)?shù)越小

【解析】

(1)甲烷的燃燒熱為△H=-890kJmol-1，則甲烷燃燒的熱化學(xué)方程式可表示為CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=-890kJmol-1，根據(jù)蓋斯定律，結(jié)合已知熱化學(xué)方程式處理得H2O(l)=H2O(g)，再計(jì)算出△H；

②根據(jù)圖象可知，T1℃、催化劑M作用下，0～20h內(nèi)甲烷的物質(zhì)的量變化為0.6mol，結(jié)合v=計(jì)算出甲烷的反應(yīng)速率，然后結(jié)合反應(yīng)速率與化學(xué)計(jì)量數(shù)成正比計(jì)算；

③根據(jù)催化劑不影響平衡，會(huì)使得化學(xué)反應(yīng)速率增大，結(jié)合該反應(yīng)為放熱反應(yīng)分析解答；

(2)①?zèng)]有達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，溫度越高反應(yīng)速率越快，當(dāng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，升高溫度平衡向著逆向移動(dòng)，據(jù)此分析；

②CH4(g)和H2O(g)的物質(zhì)的量之比為1∶3，設(shè)CH4為xmol，H2O為3xmol，平衡時(shí)生成的CO為ymol，然后根據(jù)三段式分析解答。容器容積相同時(shí)，氣體的壓強(qiáng)與物質(zhì)的量成正比，T0℃時(shí)，容器內(nèi)起始?jí)簭?qiáng)為p0，計(jì)算出平衡時(shí)的壓強(qiáng)，再分別計(jì)算出平衡時(shí)各氣體的分壓，帶入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算即可。

(1)①已知：CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g)△H＝+802kJmol﹣1①，甲烷的燃燒熱為△H＝﹣890kJmol﹣1，則甲烷燃燒的熱化學(xué)方程式可表示為CH4(g)+2O2(g)＝CO2(g)+2H2O(l)△H＝﹣890 kJmol﹣1②，根據(jù)蓋斯定律，﹣(①+②)可得：H2O(l)＝H2O(g)△H＝﹣ [+802kJmol﹣1+(﹣890 kJmol﹣1)]＝+44 kJmol﹣1，故答案為：+44 kJmol﹣1；

②根據(jù)圖像可知，T1℃、催化劑M作用下，0～20h內(nèi)水的物質(zhì)的量變化為0.6mol，則v(CH4)＝0.003 molL﹣1h﹣1，所以v(H2O)＝2v(CH4)＝0.006 molL﹣1h﹣1，故答案為：0.006 molL﹣1h﹣1；

③該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度升高，CH4的產(chǎn)量增大，根據(jù)圖像可知，溫度為T1條件下，平衡時(shí)甲烷的物質(zhì)的量較大，則T1＞T2；已知溫度T1＞T2，若不使用催化劑，應(yīng)該在溫度T1條件下優(yōu)先達(dá)到平衡狀態(tài)，根據(jù)圖像可知，使用催化劑N的曲線優(yōu)先達(dá)到平衡狀態(tài)，說(shuō)明催化劑的催化效果：M弱于N，故答案為：＞；該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度升高，CH4的產(chǎn)量增大；弱于；

(2)①在溫度低于T0 ℃時(shí)，相同時(shí)間段內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快，則CO的體積分?jǐn)?shù)越大；在溫度為T0 ℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，由于該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的體積分?jǐn)?shù)越小，所以T0℃時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)最大，故答案為：低于T0 ℃時(shí)，相同時(shí)間段內(nèi)溫度越高反應(yīng)速率越快，CO的體積分?jǐn)?shù)越大；高于T0 ℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高CO的體積分?jǐn)?shù)越�。�

②CH4(g)和H2O(g)的物質(zhì)的量之比為1∶3，設(shè)CH4為xmol，H2O為3xmol，平衡時(shí)生成的CO為ymol，CO的平衡體積分?jǐn)?shù)為10%

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

初始(mol) x 3x 0 0

轉(zhuǎn)化(mol) y y y 3y

平衡(mol) x﹣y 3x﹣y y 3y

則：×100%=10%，解得：y=0.5x，平衡時(shí)混合氣體的總物質(zhì)的量為：x-0.5x+3x-0.5x+0.5x+0.5x×3=5x，反應(yīng)前總物質(zhì)的量為4xmol，容器容積相同時(shí)，氣體的壓強(qiáng)與物質(zhì)的量成正比，T0℃時(shí)，容器內(nèi)起始?jí)簭?qiáng)為p0，則平衡時(shí)壓強(qiáng)為：p0×=1.25p0，平衡時(shí)/span>p(CH4)=×1.25p0=p0，p(H2O)=×1.25p0=p0，p(CO)=×1.25p0=p0，p(CH4)=×1.25p0=p0，反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp==，故答案為：。