Question

3．甲烷化技术是煤制天然气最核心、最关键的技术．CO加氢合成甲烷属于多相催化平衡反应，催化剂一般为镶催化剂（工作温度400K-800K），主反应式：
CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ/mol  （1）
CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165kJ/mol  （2）
（1）煤经过气化、变换、净化得到的合成气中一般含有H₂、CO、CO₂、H₂O和惰性气体．
①请写出H₂O（g）与CO反应的热化学反应方程式CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol．（该反应编号为“（3）”）．
②若主反应（1）（2）的平衡常数450K时分别为K₁、K₂，则与“H₂O与CO反应的平衡常数K₃（同温度）”的数量关系为$\frac{K{\;}_{1}}{K{\;}_{2}}$．
（2）在体积不变的容器中，进行甲烷化反应，若温度升高，CO和H₂的转化率都降低（填“降低”、“升高”或“不变”），但数据显示CO转化率变化更为显著，主要原因是 CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol温度升高，平衡向逆方向移动，进一步消耗了氢气而生成了CO，使CO转化率更低．
（3）当温度在800K以上时，平衡体系中还会有下列2个副反应：
2CO（g）=C（g）+CO₂（g）△H=-171kJ/mol （快反应） （4）
C（s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-73kJ/mol（慢反应）  （5）
甲烷化反应容器就会出现碳固体结块现象，热量传递不好而使催化剂烧结，失去催化作用．
（4）甲烷化反应容器主副反应（1）至（5），其平衡常数K的对数lnK与温度关系如图：写出图中曲线A、B所对应的反应方程式编号（1）（3）．

Answer 1

分析 （1）①已知：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ/mol  （1）
CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165kJ/mol  （2）
利用盖斯定律将（1）-（2）书写计算；
②利用盖斯定律结合平衡常数K₃=$\frac{c（H{\;}_{2}）c（CO{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$计算；
（2）根据甲烷化反应都为放热反应，温度升高，平衡向逆方向移动，则CO和H₂的转化率都降低；又根据CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol  温度升高，平衡向逆方向移动，进一步消耗了氢气而生成了CO，使CO转化率更低；
（3）根据C（s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-73kJ/mol（慢反应）  （5），反应慢，所以反应过程中会出现碳过剩，热量传递不好而使催化剂烧结，失去催化作用；
（4）由图象作等温线，得450K时lnK₃=ln$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$=lnK₁-lnK₂，所以A对应反应（1），C对应反应（2），B对应反应（3），据此分析．

解答 解：（1）①已知：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-206kJ/mol  （1）
CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-165kJ/mol  （2）
利用盖斯定律将（1）-（2）可得：CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=（-206+165）KJ/mol=-41kJ/mol，
故答案为：CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol；
②K₃=$\frac{c（H{\;}_{2}）c（CO{\;}_{2}）}{c（CO）c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{\frac{c（CH{\;}_{4}）c（H{\;}_{2}O）}{c（CO）c{\;}^{3}（H{\;}_{2}）}}{\frac{c（CH{\;}_{4}）c{\;}^{2}（H{\;}_{2}O）}{c（CO{\;}_{2}）c{\;}^{4}（H{\;}_{2}）}}$=$\frac{K{\;}_{1}}{K{\;}_{2}}$；故答案为：$\frac{K{\;}_{1}}{K{\;}_{2}}$；
（2）因为甲烷化反应都为放热反应，温度升高，平衡向逆方向移动，则CO和H₂的转化率都降低；又根据CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，温度升高，平衡向逆方向移动，进一步消耗了氢气而生成了CO，使CO转化率更低，
故答案为：降低；CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41kJ/mol，温度升高，平衡向逆方向移动，进一步消耗了氢气而生成了CO，使CO转化率更低；
（3）因为2个副反应2CO（g）=C（g）+CO₂（g）△H=-171kJ/mol （快反应） （4）C（s）+2H₂（g）=CH₄（g）△H=-73kJ/mol（慢反应）  （5），而（4）快（5）慢，所以反应过程中会出现碳固体结块现象，热量传递不好而使催化剂烧结，失去催化作用，故答案为：碳固体结块；
（4）由图象作等温线，得450K时lnK₃=ln$\frac{{K}_{1}}{{K}_{2}}$=lnK₁-lnK₂，所以A对应反应（1），C对应反应（2），B对应反应（3），所以曲线A、B所对应的反应方程式编号为（1）（3），故答案为：（1）（3）．

点评 本题主要考查了盖斯定律的应用，平衡移动原理及其平衡常数之间的关系，难度较大，注意图象信息的提取与应用．