Question

【題目】二氧化碳的捕集、利用與封存是我國能源領域的一個重要戰略方向，發展成一項重要的新興產業。

（1）已知：CH4、CO、H2的燃燒熱分別為890 kJmol－1、283 kJmol－1、285.8 kJmol－1，計算下列反應的反應熱。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，反應方程式為：CO2＋3H2CH3OH＋H2O其他條件相同，該甲醇合成反應在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應相同時間后，CO2的轉化率隨反應溫度的變化如圖１所示。

①該反應的ΔH______0（填“＞”或“＜”）

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

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

①該反應在__________自發進行（填“低溫”或“高溫”）。

②c代表的物質是_______________。

③T1溫度下的平衡轉化率為__________________，相對于起始狀態，平衡時氣體的平均相對分子質量增大的百分率為_______________（保留三位有效數字）。

Answer 1

【答案】+247.6＜d均達到平衡狀態，催化劑不影響平衡轉化率低溫C2H450%23.1%

【解析】試題分析：本題為化學反應原理綜合測試題，為高考必考題型，題目難度較大。考查點涉及反應熱的計算、蓋斯定律，化學平衡圖像分析和化學平衡計算。

（1）根據CH4、H2、和CO的燃燒熱分別寫出燃燒的熱化學方程式：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點均未達到平衡狀態，升高溫度，化學反應速率加快，CO2的轉化率增大；d點不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下均達到平衡狀態。①d點不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下均達到平衡狀態，在升高溫度，CO2的轉化率逐漸減小，平衡逆向移動，該反應的正反應為放熱反應，ΔH＜0；②使用催化劑只能改變反應速率，平衡不移動，不影響CO2的平衡轉化率。

（3）①反應：2CO2（g）+6H2（g） C2H4（g）+4H2O（g）正向為氣體物質的量減小的反應，△S＜0，由圖2知隨著溫度的升高，平衡時H2的物質的量逐漸增大，平衡逆向移動，則該反應為放熱反應，△H ＜0，根據△H-T△H＜0判斷該反應在低溫自發進行。 ②分析圖2知隨著溫度的升高，平衡時H2的物質的量逐漸增大，平衡逆向移動，a曲線代表反應物CO2，b、c代表生成物，b曲線代表的生成物的物質的量變化大，b曲線代表的物質是H2O，c曲線代表的生成物的物質的量變化小，則c代表的物質是C2H4。③利用三行式分析。設起始加入CO2的物質的量為x，則H2的物質的量為3x。

2CO2（g）+6H2（g） C2H4（g）+4H2O（g）

起始（mol）x 3x 0 0

轉化（mol）2 6 1 4

平衡（mol）2 6 1 4

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