Question

【题目】工业上利用CO2和H2催化氢化可以制取甲烷。

（1）已知 ①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O（l） ΔH= -890 kJ·mol-1

②2H2(g)+O2(g)=2H2O(l) ΔH= -572 kJ·mol-1

③H2O(l)=H2O(g) ΔH= +44 kJ·mol-1

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=a kJ·mol-1

据此，a=_________；升高温度，该反应的v(逆)_____（填“增大”或“减小”）。

（2）在一定压强、不同温度下，两种催化剂分别催化CO2加氢甲烷化反应2h的结果如图1所示（一定温度下仅改变催化剂，其他条件不变）：a、b-催化剂I； c、d-催化剂II。甲烷化选择性：指含碳产物中甲烷的物质的量分数。请据图1分析：

①催化剂I实验，400 ℃~450℃时CO2转化率下降的原因可能为___________(写1条)。

②催化剂II实验，检测密闭容器中产物发现，温度升高甲烷的选择性下降是发生了：CO2(g)+ H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH＞0。若保持温度不变，提高甲烷化选择性可以采取的措施：______________（写2条）。

（3）下列与甲烷化反应有关的描述中，正确的是______：

A.单位时间内断裂1molC=O键的同时断裂1molC-H，说明该反应已达平衡

B.照上述反应使用催化剂，其Ⅰ的活化能比Ⅱ的活化能大

C.在绝热的密闭容器中进行时，当容器中温度不变时说明达到平衡

D.催化剂Ⅰ下，300-450℃内，选择性保持不变的主要原因是其它副反应的速率很慢

（4）催化剂I实验， 400℃时，向2L固定体积的密闭容器中通入1mol CO2和4mol H2，CH4物质的量随时间的变化趋势如图2时所示，则2h内H2平均反应速率为____________；平衡常数K=____________。若其他条件不变，反应在恒压条件下进行，请在图2中画出反应体系中n(CH4)随时间t变化的趋势图____________________。

Answer 1

【答案】 －166 增大 可能是温度超过了催化剂最佳活化温度，催化剂活性下降反应速率减小，使 CO2减少转化率下降 [ 或：在2h时已达平衡，继续升温使放热反应平衡逆移，导致CO2转化率下降 改用催化剂I，增加压强；或同倍数增加CO2、H2浓度，控制温度在400℃左右 之间 CD 0.5mol·L-1·h-1 0.25L2· mol-2

【解析】（1）根据盖斯定律，②×2-①+③×2得：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH=[-572×2-(-890)+44×2]kJ·mol-1=-166 kJ·mol-1，所以a=-166；升高温度，正、逆化学反应速率都加快，故升高温度，该反应的v(逆)增大。

（2）①催化剂只有在合适的温度时才表现最好的催化活性，可能是温度超过了催化剂最佳活化温度，催化剂活性下降反应速率减小，使2h内CO2减少转化率下降；该反应为放热反应，升高温度不利于提高CO2转化率，若2h时反应已达平衡，继续升温使平衡逆向移动，会导致CO2转化率下降。②由图可得，使用催化剂I甲烷化选择性高，若使用催化剂II，400℃左右甲烷化选择性高；由CO2加氢甲烷化反应方程式可得，增大压强有利于提高甲烷化选择性，所以若保持温度不变，提高甲烷化选择性可以采取的措施有：改用催化剂I、增加压强(或同倍数增加CO2、H2浓度)、控制温度在400℃左右等。

（3）A项，由甲烷化反应方程式可得，断裂1molC=O键同时会生成2molC-H，则断裂1molC=O键的同时断裂1molC-H，说明该反应并没有达到平衡，故A错误；B项，2h内催化剂Ⅰ的催化效果比催化剂Ⅱ的效果好，因为催化剂降低反应的活化能，所以Ⅰ作用下的活化能比催化剂Ⅱ的小，故B错误；C项，甲烷化反应在绝热的密闭容器中进行时，温度为变量，所以当温度不变时说明反应达到平衡，故C正确；D项，催化剂加快化学反应速率，在催化剂Ⅰ作用下，300-450℃内，甲烷化反应速率很快，其它副反应的速率很慢，才会使选择性保持不变，故D正确。综上，选CD。

（4）2h甲烷变化0.5mol，则H2变化2mol，故v(H2)=2mol÷2L÷2h=0.5mol·L-1·h-1；根据相关数据列三段式：

平衡常数K==L2mol-2=0.25L2mol-2；若其他条件不变，反应在恒压条件下进行，则与恒容相比相当于不断压缩体积，因此反应速率快且反应程度大，在图2中画出反应体系中n(CH4)随时间t变化的趋势图为：。