Question

【题目】我国科研团队利用低温等离子体协同催化技术，在常温常压下实现了将甲烷和二氧化碳一步转化为具有高附加值的液体燃料和化工产品。回答下列问题：

（1）已知：甲烷和乙酸的燃烧热△H分别为－890.31kJ·mol－1、－876.72kJ·mol－1，试写出甲烷与CO2合成乙酸的热化学方程式：______________。

（2）甲烷和二氧化碳一步转化为液体产品的选择性如下图所示，其中选择性最高的产品是___________，反应中应加入的等离子体催化剂是___________。

（3）在某一钢性密闭容器中CH4、CO2的分压分别为25kPa、30kPa，加入Ni/α－Al2O3催化剂并加热至1123K使其发生反应：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)。

①研究表明CO的生成速率υco=1.28×10－2·p(CH4)·p(CO2) (mol·g－1·s－1)，某时刻测得p(H2)=20kPa，则p(CH4)= ____kPa，υco=___mol·g－1·s－1。

②达到平衡后测得体系总压是起始时的1.8倍，则该反应的平衡常数Kp=________(kPa)2(计算结果保留两位有效数字)。

③温度对产物流量及平衡转化率的影响如图所示，可知反应△H____0(填“>”或“<”)，原因是_______。

Answer 1

【答案】CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l) △H=-13.59kJ/mol 乙酸 Cu/-Al2O3 15 3.84 1.6105 > 随温度升高，产物摩尔流量和反应的平衡转化率均增大，平衡向正反应方向移动，正反应为吸热反应

【解析】

（1）由已知条件可写出热化学方程式， 由盖斯定律可推知反应CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l)的反应热，进而写出热化学方程式。

（2）分析图像可知乙酸的选择性最高，且在Cu/-Al2O3等离子体催化剂作用时乙酸的选择性最高。

（3）①利用“三段式”解题；

②利用“三段式”分析解答；

③根据图像可以得出随温度升高，产物摩尔流量和反应的平衡转化率均增大，平衡向正反应方向移动，正反应为吸热反应。

（1）由已知条件可写出热化学方程式：CH4(g)+2O2(g)= CO2 (g)+ 2H2O(l)

△H1=-890.31kJ/mol，

CH3COOH(l)+2O2(g)= 2CO2 (g)+ 2H2O(l) △H2=-876.72kJ/mol，

由盖斯定律可推知，CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l) △H=-13.59kJ/mol。

故答案为：CH4(g)+CO2(g)=CH3COOH(l) △H=-13.59kJ/mol；

（2）分析图像可知乙酸的选择性最高，且在Cu/-Al2O3等离子体催化剂作用时乙酸的选择性最高。

故答案为：乙酸；Cu/-Al2O3；

（3）①利用“三段式”解题：

CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)

起始分压/kPa 25 30 0 0

转化分压/kPa 10 10 20 20

某时刻分压/kPa 15 20 20 20

= 15kPa，υ(CO)=1.2810-21520 mol·g－1·s－1=3.84 mol·g－1·s－1。

故答案为：15；3.84；

②假设CH4的分压变化xkPa

CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)

起始分压/kPa 25 30 0 0

转化分压/kPa x x 2x 2x

平衡分压/kPa 25-x 30-x 2x 2x

则有=1.8，解得x=22，Kp==(kPa)21.6105(kPa)2。

故答案为：1.6105；

③根据图像可以得出随温度升高，产物摩尔流量和反应的平衡转化率均增大，平衡向正反应方向移动，正反应为吸热反应，△H>0。

故答案为：>；随温度升高，产物摩尔流量和反应的平衡转化率均增大，平衡向正反应方向移动，正反应为吸热反应。