Question

【題目】我國(guó)科研團(tuán)隊(duì)利用低溫等離子體協(xié)同催化技術(shù)，在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)了將甲烷和二氧化碳一步轉(zhuǎn)化為具有高附加值的液體燃料和化工產(chǎn)品。回答下列問題：

（1）已知：甲烷和乙酸的燃燒熱△H分別為－890.31kJ·mol－1、－876.72kJ·mol－1，試寫出甲烷與CO2合成乙酸的熱化學(xué)方程式：______________。

（2）甲烷和二氧化碳一步轉(zhuǎn)化為液體產(chǎn)品的選擇性如下圖所示，其中選擇性最高的產(chǎn)品是___________，反應(yīng)中應(yīng)加入的等離子體催化劑是___________。

（3）在某一鋼性密閉容器中CH4、CO2的分壓分別為25kPa、30kPa，加入Ni/α－Al2O3催化劑并加熱至1123K使其發(fā)生反應(yīng)：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)。

①研究表明CO的生成速率υco=1.28×10－2·p(CH4)·p(CO2) (mol·g－1·s－1)，某時(shí)刻測(cè)得p(H2)=20kPa，則p(CH4)= ____kPa，υco=___mol·g－1·s－1。

②達(dá)到平衡后測(cè)得體系總壓是起始時(shí)的1.8倍，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=________(kPa)2(計(jì)算結(jié)果保留兩位有效數(shù)字)。

③溫度對(duì)產(chǎn)物流量及平衡轉(zhuǎn)化率的影響如圖所示，可知反應(yīng)△H____0(填“>”或“<”)，原因是_______。

Answer 1

【答案】CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l) △H=-13.59kJ/mol 乙酸 Cu/-Al2O3 15 3.84 1.6105 > 隨溫度升高，產(chǎn)物摩爾流量和反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率均增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)

【解析】

（1）由已知條件可寫出熱化學(xué)方程式， 由蓋斯定律可推知反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l)的反應(yīng)熱，進(jìn)而寫出熱化學(xué)方程式。

（2）分析圖像可知乙酸的選擇性最高，且在Cu/-Al2O3等離子體催化劑作用時(shí)乙酸的選擇性最高。

（3）①利用“三段式”解題；

②利用“三段式”分析解答；

③根據(jù)圖像可以得出隨溫度升高，產(chǎn)物摩爾流量和反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率均增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

（1）由已知條件可寫出熱化學(xué)方程式：CH4(g)+2O2(g)= CO2 (g)+ 2H2O(l)

△H1=-890.31kJ/mol，

CH3COOH(l)+2O2(g)= 2CO2 (g)+ 2H2O(l) △H2=-876.72kJ/mol，

由蓋斯定律可推知，CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l) △H=-13.59kJ/mol。

故答案為：CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l) △H=-13.59kJ/mol；

（2）分析圖像可知乙酸的選擇性最高，且在Cu/-Al2O3等離子體催化劑作用時(shí)乙酸的選擇性最高。

故答案為：乙酸；Cu/-Al2O3；

（3）①利用“三段式”解題：

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

起始分壓/kPa 25 30 0 0

轉(zhuǎn)化分壓/kPa 10 10 20 20

某時(shí)刻分壓/kPa 15 20 20 20

= 15kPa，υ(CO)=1.2810-21520 mol·g－1·s－1=3.84 mol·g－1·s－1。

故答案為：15；3.84；

②假設(shè)CH4的分壓變化xkPa

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

起始分壓/kPa 25 30 0 0

轉(zhuǎn)化分壓/kPa x x 2x 2x

平衡分壓/kPa 25-x 30-x 2x 2x

則有=1.8，解得x=22，Kp==(kPa)21.6105(kPa)2。

故答案為：1.6105；

③根據(jù)圖像可以得出隨溫度升高，產(chǎn)物摩爾流量和反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率均增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，△H>0。

故答案為：>；隨溫度升高，產(chǎn)物摩爾流量和反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率均增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。