题目内容

【题目】对甲烷和 CO2 的高效利用不仅能缓解大气变暖,而且对日益枯竭的石油资源也有一定的补充作用,甲烷临氧耦合 CO2 重整反应有:

反应(i)2CH4(g)O2(g)2CO(g)4H2(g) H=71.4kJmol-1

反应(ii)CH4(g)CO2(g)2CO(g)2H2(g) H=+247.0 kJmol-1

(1)写出表示 CO 燃烧热的热化学方程式:_____

(2)在两个体积均为 2L 的恒容密闭容器中,起始时按表中相应的量加入物质,在相同温度下进行反应(ii)CH4(g)CO2(g)2CO(g)2H2(g) (不发生其它反应)CO2的平衡转化率如表所示:

容器

起始物质的量(n) / mol

CO2的平衡转化率

CH4

CO2

CO

H2

0.1

0.1

0

0

50

0.1

0.1

0.2

0.2

/

①下列条件能说明反应达到平衡状态的是_____

A.v(CH4) =2v(CO)

B.容器内各物质的浓度满足c(CH4)·c(CO2)=c2(CO)·c2(H2)

C.容器内混合气体的总压强不再变化

D.容器内混合气体密度保持不变

②达到平衡时,容器Ⅰ、Ⅱ内 CO 的物质的量的关系满足:2n(CO)_____n(CO)(”)

(3)将一定量的甲烷和氧气混合完成反应(i),其他条件相同,在甲、乙两种不同催化剂作用下, 相同时间内测得 CH4 转化率与温度变化关系如图所示。c _____(可能一定一定未”)达到平衡状态,理由是_____

(4)CO2 也可通过催化加氢合成乙醇,其反应原理为:2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) H<0。设 m 为起始时的投料比,即 m= n(H2)/ n(CO2)。通过实验得到下列图象:

1 2 3

①图 1 中投料比相同,温度从高到低的顺序为_________

②图 2 m1m2m3 从大到小的顺序为_________

③图 3 表示在总压为 5 MPa 的恒压条件下,且 m=3 时,平衡状态时各物质的物质的量分数与温度的关系。T4 温度时,该反应压强平衡常数KP的计算式为_________(用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数,代入数据,不用计算)

【答案】CO(g)+O2(g)=CO2(g) H=282.7kJmol-1 C 一定未 催化剂不会影响平衡转化率,在相同条件下,乙催化剂对应的 c 点的转化率没有甲催化剂对应的 b 点的转化率高,所以 c 点一定未平衡 T3T2T1 m1m2m3

【解析】

(1)书写燃烧热的热化学方程式,一定要保证:可燃物的化学计量系数为1;可燃物发生完全燃烧;生成产物是在常温常压下稳定存在的物质,根据盖斯定律可得:

(2) A2v(CH4) =v(CO)时,反应才达到平衡状态,A项错误;

B.由于平衡常数未知,所以浓度满足上式不一定处于平衡状态,B项错误;

C.由于该反应是在恒温恒容条件下进行的,且属于非等体积反应,根据公式可知,当压强不变,该反应一定达到平衡,C项正确;

D.由于该反应是在恒温恒容条件下进行的,且全为气体参与,根据公式可知,密度恒定与平衡状态无关,D项错误;

答案选C

②构造容器Ⅲ:除起始物质只加入0.2molCH40.2molCO2外,其他条件与Ⅰ、Ⅱ相同;通过分析可知容器Ⅱ、Ⅲ中的平衡等效。容器Ⅲ相比于容器Ⅰ,进料增加了一倍,考虑到反应方程式,所以Ⅲ相比于Ⅰ,平衡逆移,CO的含量下降,所以2n(CO)n(CO)

(3)催化剂对于平衡无影响,相同条件下,加入甲催化剂达到的转化率b高于加入乙催化剂的转化率c,所以c点对应的一定不是平衡状态;

(4) ①由于该反应放热,所以温度越高反应物转化率越低,所以T3T2T1

②对于两种反应物的反应,增加其中一种物质的投料,会使另一种物质的转化率提高,所以m1m2m3

③由于投料按照化学计量系数比进行,所以反应任意时刻,n(H2):n(CO2)=3:1,且n(乙醇)n()=1:3;所以图中c线为H2d线为CO2a线为水,b线为乙醇;结合数据可知,T4时,平衡状态时,H2含量为0.375CO20.125,水为0.375,乙醇为0.125。所以压强平衡常数的表达式为:

练习册系列答案
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【题目】尿素在农业、医药等诸多领域应用广泛。工业上有多种工艺用NH3CO2直接合成尿素。

(1)水溶液全循环法合成尿素的反应过程可用下列热化学方程式表示:

反应I 2NH3(1) +CO2(g)NH2 COONH4(1) H1 = - 119.2 kJmol-1

反应II NH2COONH4(1)CO(NH2)2(1)+ H2O(1) H2= 15.5 kJmol-1

①写出NH3(1)CO2(g)反应生成CO(NH2)2(1)和液态水的热化学方程式:______

②该工艺要求在190~ 200℃、13 ~ 24 MPa 的条件下反应,90℃左右反应可实现最高平衡转化率。试解释选择高压条件的理由:_________

(2)在不同氨碳比L=和水碳比W= 条件下CO2平衡转化率x随温度T变化情况如图所示:

CO2平衡转化率x随温度T升高先增大后减小,试分析原因:_________

②在图中,画出L=4W=OCO2平衡转化率x随温度T变化的曲线示意图____

(3)实验室模拟热气循环法合成尿素,T℃度时,将5.6mol NH35.2molCO2在容积恒定为0.5L的恒温密闭容器中发生反应:2NH3(g)+CO2(g)CO(NH2)2(s)+H2O (g) H1—43kJmol-1。达到平衡状态时,NH3CO2的平衡分压之比 p(NH3): p(CO2)= 2:13。[p(NH3)= x(NH3)px(NH3)为平衡体系中NH3的物质的量分数,p为平衡总压]

T ℃时,该反应的平衡常数 K = ______________

②若不考虑副反应,对于该反应体系,下列说法正确的是 _________

A.当反应体系中气体分子的平均摩尔质量保持不变时,反应达到平衡状态

B.相同条件下,提高水碳比或降低氨碳比都会使NH3 的平衡转化率降低

C.在容器中加入CaO,(可与 H2O反应),提高CO(NH2)2产率

D.反应开始后的一段时间内,适当升温可提高单位时间内CO2的转化率

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