Question

【題目】二氧化碳的捕集、利用與封存是我國能源領(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890kJmol－1、283kJmol－1、285.8kJmol－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”）。

②b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)氣體的平均分子量增大的百分率為______________（保留三位有效數(shù)字）。

Answer 1

【答案】 +247.6 ＜ 均達(dá)到平衡狀態(tài)，催化劑不影響平衡轉(zhuǎn)化率 低溫 H2O 50% 23.1%

【解析】（1）根據(jù)CH4、H2、和CO的燃燒熱分別寫出燃燒的熱化學(xué)方程式：

①O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJmol -1；

②CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890kJmol-1；

③2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566 kJmol-1，

利用蓋斯定律將②-①-③可得： CO2（g）+CH4（g）＝2CO（g）+ 2H2（g）ΔH＝+247.6 kJmol－1。

（2）由圖１可知，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)化率隨著反應(yīng)溫度的升高先增大后減小，說明當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，升高溫度化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。①該反應(yīng)的ΔH ＜0.②d點(diǎn)不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下CO2的轉(zhuǎn)化率相同的原因是在此溫度下該反應(yīng)均達(dá)到平衡狀態(tài)，催化劑不影響平衡轉(zhuǎn)化率。

（3）由圖2可知，反應(yīng)物中氫氣的平衡量隨溫度升高而升高，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。根據(jù)曲線的變化趨勢，可以判斷出a、b、c三條曲線分別表示二氧化碳、水和乙烯。①該反應(yīng)△H<0、△S<0，只有在低溫下才能保證△H-T△S<0，所以該反應(yīng)在低溫自發(fā)進(jìn)行。②綜合反應(yīng)中各組分的化學(xué)計(jì)量數(shù)和曲線的變化趨勢進(jìn)行分析，可以判斷出b代表的物質(zhì)是H2O。③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），投料比與化學(xué)計(jì)量數(shù)之比相同，所以兩種反應(yīng)物的平衡轉(zhuǎn)化率是相同的。由圖2可知，T1溫度下，氫氣和水的平衡量分別為6mol和4mol，說明氫氣的變化量也是6mol，所以該反應(yīng)的平衡轉(zhuǎn)化率為50%.在起始狀態(tài)，氫氣和二氧化碳的物質(zhì)的量分別為12mol和4mol，反應(yīng)物的平均相對(duì)分子質(zhì)量為；在平衡狀態(tài)時(shí)，CO2、H2、C2H4、H2O的物質(zhì)的量分別為2mol、6mol、1mol、4mol，平衡時(shí)氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為，相對(duì)于起始狀態(tài)，平衡時(shí)氣體的平均分子量增大的百分率為23.1% 。