Question

【题目】科学家研究出一种以天然气为燃料的“燃烧前捕获系统”，其简单流程如图所示(条件及部分物质未标出)。

(1) 已知:CH4 、CO, 、H2的燃烧热分别为890. 3 KJ·mol-1、283. 0 KJ·mol-1、285. 8 KJ·mol-1。则上述流程中第一步反应2CH4(g)+O2(g)2CO(g)+4H2(g)的△H=_________

(2)工业上可用H2和CO2制备甲醇，其反应方程式为CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)。某温度下，将1 mol CO2和3 mol H2充人体积不变的2L密闭容器中，发生上述反应，测得不同时刻反应前后的压强关系如下表所示:

①用H2表示的前2h的平均反应速率v(H2)=_________

②该温度下，CO2的平衡转化率为______________

(3)在300℃、8 MPa下，将CO2和H2按物质的量之比1:3通入一密闭容器中发生(2)中反应，达到平衡时，测得CO2的平衡转化率为50%，则该反应条件下的平衡常数为Kp=_____ (用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。

(4)CO2经催化加氢可合成低碳烯烃:2CO2 ( g)＋6H2 (g)C2H4 (g)＋4H2 O(g) △H。在0 .1 MPa时，按(CO2)：(H2)=1：3投料，如图所示为不同温度()下，平衡时四种气态物质的物质的量()的关系。

①该反应的△H_______0(填“>”或“<”)。

②曲线表示的物质为______(填化学式)。

Answer 1

【答案】-71.4 kJ·mol-1 0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·minL-1 40% < C2H4

【解析】

（1）根据CH4、、CO和H2的燃烧热分别写出燃烧的热化学方程式：
①CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJmol-1；
②2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566.0kJmol-1，
③O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1；

根据盖斯定律计算得到所需热化学方程式；

(2) ①恒温恒容时，气体的压强之比等于其物质的量之比，2h时=0.85，求出氢气转化量，进一步求出用氢气表示的反应速率；

②该温度下，反应进行5h时达到平衡状态，此时=0.80，求出二氧化碳转化量，进一步求出CO2的平衡转化率；

(3)根据已知条件，列三行式，求出平衡时各气体成分所占的物质的量的分数，求出分压，进而计算平衡常数；

(4)①由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应放热；

②随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，因氢气为反应物，则另一条逐渐增多的曲线a代表CO2，C2H4(g)、H2O(g)都是生成物，随着平衡逆向移动，二者的物质的量逐渐减小，由计量数关系可知曲线b代表水，曲线c代表C2H4。

（1）根据CH4、、CO和H2的燃烧热分别写出燃烧的热化学方程式：
①CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）△H=-890.3kJmol-1；
②2CO（g）+O2（g）=2CO2（g）△H=-566.0kJmol-1，
③O2（g）+2H2（g）=2H2O（l）△H=-571.6kJmol-1；
利用盖斯定律将①2-②-③×2可得：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H=-71.4kJmol-1，
故答案为：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H=-71.4kJmol-1；

(2) ①恒温恒容时，气体的压强之比等于其物质的量之比，2h时=0.85，设消耗CO2的物质的量为xmol，

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g) V

1 3 1 1 2

xmol 2x mol

则有=0.85，解得x=0.3，

故前2h的平均反应速率v(H2)==0.225 mol·L-1·h-1。

②该温度下，反应进行5h时达到平衡状态，此时=0.80，设消耗CO2的物质的量为ymol，则有=0.85，解得y=0.4，

故CO2的平衡转化率为×100%=40%，

故答案为：0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·minL-1 ；40%；

(3)设开始时投入CO2和H2的物质的量分别为1mol、3mol，CO2的平衡转化率为50%，则有：

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)。

起始量/mol 1 3 0 0

转化量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡量/mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡时p(CO2)=8 MPa×= MPa， p(H2)=8 MPa×=4 MPa，p(CH3OH)=8 MPa×= MPa，p(H2O)=8 MPa×= MPa，

故该反应条件下的平衡常数为Kp===。

故答案为：；

(4)①由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应放热，ΔH<0。

②随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，因氢气为反应物，则另一条逐渐增多的曲线a代表CO2，C2H4(g)、H2O(g)都是生成物，随着平衡逆向移动，二者的物质的量逐渐减小，由计量数关系可知曲线b代表水，曲线c代表C2H4。

故答案为：< ；C2H4。