Question

【題目】為解決燃料危機和溫室效應(yīng)，科學(xué)家嘗試用CO2與CH4制取CO和H2。

（1）已知：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206.1kJ·mol-1

②2H2(g)+CO(g)CH3OH(1) ΔH2=－128.3kJ·mol-1

③2H2(g)+O2(g)2H2O(g) ΔH3=－483.6kJ·mol-1

④2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H4

在合適的催化劑作用下，采用甲烷和氧氣一步合成液態(tài)甲醇在低溫下能否自發(fā)進行____(填“能”或“否”)，理由是____。

（2）某溫度下，CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)，將1molCH4(g)和1molH2O(g)加入100kPa的密閉容器中，正反應(yīng)速率v正=k正×p(CH4)×p(H2O)，逆反應(yīng)速率v逆=k逆×p(CO)×p3(H2)，p為分壓(分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù))，則該反應(yīng)的壓強平衡常數(shù)Kp=____(以k正、k逆表示)。若k正=4.4×104kPa-1·s-1，當CH4分解20%時，v正=____kPa·s-1（保留兩位有效數(shù)字）。

（3）CO2用于生產(chǎn)乙烯，已知：2CO2(g)+6H2(g)CH2=CH2(g)+4H2O(g) ΔH=QkJ/mol。

一定條件下，按不同的投料比向某容積可變的恒壓密閉容器中充入CO2、H2，測得不同投料比時CO2的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖所示。

①X1____X2（填“＞”或“＜”，后同），Q____0。

②圖中A、B、C三點對應(yīng)的平衡常數(shù)KA、KB、KC的大小關(guān)系為_____。

（4）常溫下，用NaOH溶液作CO2捕捉劑不僅可以降低碳排放，而且可得到重要的化工產(chǎn)品Na2CO3。

①若某次捕捉后得到pH=10的溶液，則溶液中c(CO32-)∶c(HCO3-)=____。

[常溫下K1(H2CO3)=4.4×10-7、K2(H2CO3)=5×10-11]。

②欲用5LNa2CO3溶液將23.3gBaSO4固體全都轉(zhuǎn)化為BaCO3，則所用的Na2CO3溶液的物質(zhì)的量濃度至少為____。[已知：常溫下Ksp(BaSO4)=1×10-7、Ksp(BaCO3)=2.5×10-6]。(忽略溶液體積的變化)

Answer 1

【答案】能 2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H4=-328.0kJ·mol-1<0，根據(jù)方程式可判斷反應(yīng)的△S<0，故在低溫時能自發(fā)進行 4.9×107 kPa·s-1 > < KA>KB=KC 1∶2 0.52mol/L

【解析】

（1）將①②③式作如下處理得到④式：①×2+②×2+③=④，所以△H4=2ΔH1+2ΔH2+ΔH3=2×(+206.1kJ·mol-1)-2×(－128.3kJ·mol-1)- 483.6kJ·mol-1=-328.2 kJ·mol-1，所以2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1)的△H＜0，且該反應(yīng)是氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，熵減，＜0，當ΔH-TΔS＜0時，反應(yīng)能自發(fā)進行，即T比較小的時候才能滿足，所以低溫時，能自發(fā)進行，故答案為：能；2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H4=-328.0kJ·mol-1<0，根據(jù)方程式可判斷反應(yīng)的△S<0，故在低溫時能自發(fā)進行；

（2）因為正反應(yīng)速率v正=k正×p(CH4)×p(H2O)，逆反應(yīng)速率v逆=k逆×p(CO)×p3(H2)，所以p(CH4)×p(H2O)=，p(CO)×p3(H2)=，由CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)可知，Kp=== ，平衡時：，所以Kp=，將1molCH4(g)和1molH2O(g)加入100kPa的密閉容器中，CH4分解20%時有 ，總壓=100 kPa，所以CH4分解20%時p(CH4)=100 kPa×=kPa，p(H2O)= 100 kPa×=kPa，v正=k正×p(CH4)×p(H2O)=4.4×104kPa-1·s-1×kPa×kPa≈4.9×107 kPa·s-1，故答案為：；4.9×107 kPa·s-1；

（3）①當其他條件一定時，充入的H2量越多，CO2轉(zhuǎn)化率越高，對應(yīng)的X越大，則X1>X2，在其它條件不變時，結(jié)合圖象可知：溫度升高，CO2的轉(zhuǎn)化率降低，可推知該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，則Q＜0，故答案為：﹥；﹤；

②結(jié)合圖象可知該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度升高，平衡逆向移動，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)減小，而且化學(xué)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，根據(jù)圖象知A點的溫度低于B、C兩點，而且B、C兩點溫度相同，則三點對應(yīng)的平衡常數(shù)的大小關(guān)系為：KA>KB=KC，故答案為：KA>KB=KC；

（4）①由題意pH=10，可計算c(H+)=1×1010mol/L，由HCOCO+H+可得：Ka2==5×1011，所以=1∶2，故答案為：1∶2；

②設(shè)至少需要物質(zhì)的量濃度為xmol/L的Na2CO3溶液，當BaSO4完全溶解后，23.3gBaSO4的物質(zhì)的量為n(BaSO4)=23.3g÷233g/mol=0.1mol，所得5L溶液中c(SO)=0.1mol÷5L=0.02mol/L，此時溶液中c(CO)=(x-0.02)mol/L，由BaSO4+CO=BaCO3+SO可知，此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K==0.04=；②設(shè)至少需要物質(zhì)的量濃度為xmol/L的Na2CO3溶液，當BaSO4完全溶解后，所得5L溶液中c（SO）=0.02mol/L，此時溶液中c(CO)=(x-0.02)mol/L，由BaSO4+CO=BaCO3+SO可知，此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K==0.04=，解得x=0.52mol/L，故答案為：0.52 mol/L。