【題目】工業(yè)上利用CO2H2催化氫化可以制取甲烷。

1)已知 ①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2OlΔH= -890 kJ·mol-1

②2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH= -572 kJ·mol-1

③H2O(l)=H2O(g) ΔH= +44 kJ·mol-1

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=a kJ·mol-1

據(jù)此,a=_________;升高溫度,該反應的v()_____(填增大減小)。

2)在一定壓強、不同溫度下,兩種催化劑分別催化CO2加氫甲烷化反應2h的結(jié)果如圖1所示(一定溫度下僅改變催化劑,其他條件不變):ab-催化劑I; cd-催化劑II。甲烷化選擇性:指含碳產(chǎn)物中甲烷的物質(zhì)的量分數(shù)。請據(jù)圖1分析:

催化劑I實驗,400 ℃~450℃CO2轉(zhuǎn)化率下降的原因可能為___________(1)。

催化劑II實驗,檢測密閉容器中產(chǎn)物發(fā)現(xiàn),溫度升高甲烷的選擇性下降是發(fā)生了:CO2(g)+ H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH0。若保持溫度不變,提高甲烷化選擇性可以采取的措施:______________(寫2條)。

3)下列與甲烷化反應有關(guān)的描述中,正確的是______

A.單位時間內(nèi)斷裂1molC=O鍵的同時斷裂1molC-H,說明該反應已達平衡

B.照上述反應使用催化劑,其的活化能比的活化能大

C.在絕熱的密閉容器中進行時,當容器中溫度不變時說明達到平衡

D.催化劑下,300-450℃內(nèi),選擇性保持不變的主要原因是其它副反應的速率很慢

4催化劑I實驗, 400℃時,向2L固定體積的密閉容器中通入1mol CO24mol H2,CH4物質(zhì)的量隨時間的變化趨勢如圖2時所示,則2h內(nèi)H2平均反應速率為____________;平衡常數(shù)K=____________。若其他條件不變,反應在恒壓條件下進行,請在圖2中畫出反應體系中n(CH4)隨時間t變化的趨勢圖____________________。

【答案】 166 增大 可能是溫度超過了催化劑最佳活化溫度,催化劑活性下降反應速率減小,使 CO2減少轉(zhuǎn)化率下降 [ 或:在2h已達平衡,繼續(xù)升溫使放熱反應平衡逆移,導致CO2轉(zhuǎn)化率下降 改用催化劑I,增加壓強;或同倍數(shù)增加CO2、H2濃度,控制溫度在400℃左右 之間 CD 0.5mol·L-1·h-1 0.25L2· mol-2

【解析】(1)根據(jù)蓋斯定律,②×2-①+③×2得:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=[-572×2-(-890)+44×2]kJ·mol-1=-166 kJ·mol-1,所以a=-166;升高溫度,正、逆化學反應速率都加快,故升高溫度,該反應的v()增大。

(2)①催化劑只有在合適的溫度時才表現(xiàn)最好的催化活性,可能是溫度超過了催化劑最佳活化溫度,催化劑活性下降反應速率減小,使2h內(nèi)CO2減少轉(zhuǎn)化率下降;該反應為放熱反應,升高溫度不利于提高CO2轉(zhuǎn)化率,若2h時反應已達平衡,繼續(xù)升溫使平衡逆向移動會導致CO2轉(zhuǎn)化率下降。②由圖可得,使用催化劑I甲烷化選擇性高,若使用催化劑II,400℃左右甲烷化選擇性高;由CO2加氫甲烷化反應方程式可得,增大壓強有利于提高甲烷化選擇性,所以若保持溫度不變,提高甲烷化選擇性可以采取的措施有:改用催化劑I、增加壓強(或同倍數(shù)增加CO2、H2濃度)、控制溫度在400℃左右等。

(3)A項,由甲烷化反應方程式可得,斷裂1molC=O鍵同時會生成2molC-H,則斷裂1molC=O鍵的同時斷裂1molC-H,說明該反應并沒有達到平衡,故A錯誤;B項,2h內(nèi)催化劑Ⅰ的催化效果比催化劑Ⅱ的效果好,因為催化劑降低反應的活化能,所以Ⅰ作用下的活化能比催化劑Ⅱ的小,故B錯誤;C項,甲烷化反應在絕熱的密閉容器中進行時,溫度為變量,所以當溫度不變時說明反應達到平衡,故C正確;D項,催化劑加快化學反應速率,在催化劑Ⅰ作用下,300-450℃內(nèi),甲烷化反應速率很快,其它副反應的速率很慢,才會使選擇性保持不變,故D正確綜上,選CD。

(4)2h甲烷變化0.5mol,H2變化2mol,故v(H2)=2mol÷2L÷2h=0.5mol·L-1·h-1;根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)列三段式:

平衡常數(shù)K==L2mol-2=0.25L2mol-2;若其他條件不變,反應在恒壓條件下進行,則與恒容相比相當于不斷壓縮體積,因此反應速率快且反應程度大,在圖2中畫出反應體系中n(CH4)隨時間t變化的趨勢圖為:。

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充電時化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/span> 放電時化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/span>

A.①③ B.②④ C.①④ D.②③

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