Question

【題目】二氧化碳的捕集、利用與封存是我國(guó)能源領(lǐng)域的一個(gè)重要戰(zhàn)略方向，發(fā)展成一項(xiàng)重要的新興產(chǎn)業(yè)。

（1）已知：CH4、CO、H2的燃燒熱分別為890 kJmol－1、283 kJmol－1、285.8 kJmol－1，計(jì)算下列反應(yīng)的反應(yīng)熱。CO2（g）+CH4（g）＝ 2CO（g）+ 2H2（g） ΔH＝____kJmol－1。

（2）利用廢氣中的CO2為原料制取甲醇，反應(yīng)方程式為：CO2＋3H2CH3OH＋H2O其他條件相同，該甲醇合成反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CO2的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖１所示。

①該反應(yīng)的ΔH______0（填“＞”或“＜”）

②d點(diǎn)不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下CO2的轉(zhuǎn)化率相同的原因是_______________。

（3）用二氧化碳催化加氫來(lái)合成低碳烯烴，起始時(shí)以0.1MPa，n（H2）∶n（CO2）=3∶1的投料比充入反應(yīng)器中，發(fā)生反應(yīng)：2CO2（g）+6H2（g） C2H4（g）+4H2O（g）△H，不同溫度下平衡時(shí)的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量如圖2所示：

①該反應(yīng)在__________自發(fā)進(jìn)行（填“低溫”或“高溫”）。

②c代表的物質(zhì)是_______________。

③T1溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率為__________________，相對(duì)于起始狀態(tài)，平衡時(shí)氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量增大的百分率為_______________（保留三位有效數(shù)字）。

Answer 1

【答案】+247.6＜d均達(dá)到平衡狀態(tài)，催化劑不影響平衡轉(zhuǎn)化率低溫C2H450%23.1%

【解析】試題分析：本題為化學(xué)反應(yīng)原理綜合測(cè)試題，為高考必考題型，題目難度較大。考查點(diǎn)涉及反應(yīng)熱的計(jì)算、蓋斯定律，化學(xué)平衡圖像分析和化學(xué)平衡計(jì)算。

（1）根據(jù)CH4、H2、和CO的燃燒熱分別寫(xiě)出燃燒的熱化學(xué)方程式：①O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6 kJmol－1；②CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890 kJmol－1；③2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566 kJmol－1mol-1，利用蓋斯定律將②-①-③可得CO2（g）+CH4（g）＝ 2CO（g）+ 2H2（g） ΔH＝+247.6kJmol－1。

（2）分析圖1知a、b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，CO2的轉(zhuǎn)化率增大；d點(diǎn)不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下均達(dá)到平衡狀態(tài)。①d點(diǎn)不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下均達(dá)到平衡狀態(tài)，在升高溫度，CO2的轉(zhuǎn)化率逐漸減小，平衡逆向移動(dòng)，該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，ΔH＜0；②使用催化劑只能改變反應(yīng)速率，平衡不移動(dòng)，不影響CO2的平衡轉(zhuǎn)化率。

（3）①反應(yīng)：2CO2（g）+6H2（g） C2H4（g）+4H2O（g）正向?yàn)闅怏w物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，△S＜0，由圖2知隨著溫度的升高，平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量逐漸增大，平衡逆向移動(dòng)，則該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H ＜0，根據(jù)△H-T△H＜0判斷該反應(yīng)在低溫自發(fā)進(jìn)行。 ②分析圖2知隨著溫度的升高，平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量逐漸增大，平衡逆向移動(dòng)，a曲線代表反應(yīng)物CO2，b、c代表生成物，b曲線代表的生成物的物質(zhì)的量變化大，b曲線代表的物質(zhì)是H2O，c曲線代表的生成物的物質(zhì)的量變化小，則c代表的物質(zhì)是C2H4。③利用三行式分析。設(shè)起始加入CO2的物質(zhì)的量為x，則H2的物質(zhì)的量為3x。

2CO2（g）+6H2（g） C2H4（g）+4H2O（g）

起始（mol）x 3x 0 0

轉(zhuǎn)化（mol）2 6 1 4

平衡（mol）2 6 1 4

解得x=4，3x=12。則T1溫度下的反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率為2/4×100%=50%；對(duì)于起始狀態(tài)，氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為（4×44+12×2）÷16=12.5，平衡時(shí)氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為（4×44+12×2）÷13=15.4，增大的百分率為（15.4-12.5）/12.5×100%=23.1%。