Question

【题目】甲烷是一种重要的化工原料和清洁能源，研究其再生及合理利用有重要意义。

请回答：

(1)已知一定条件下发生如下反应：

CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g) △H=+802kJ·mol－1。

将一定量的CO2(g)和H2O(g)充入10L密闭容器中，分别在催化剂M、N的作用下发生上述反应，CH4(g)的产量(n)与光照时间(t)和温度(T)变化的关系如图1所示。

①若甲烷的燃烧热(△H)为－890kJ·mol－1，则水的汽化热△H=___________。(汽化热指1mol液体转化为气体时吸收的热量)

②T1℃、催化剂M作用下，0~20h内该反应速率v(H2O)=___________。

③根据图1判断，T1___________T2(填“＞”“＜”或“=”)，理由为___________。

催化剂的催化效果：M___________N(填“强于”或“弱于”)。

(2)甲烷可用于制备合成气：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H。将CH4(g)和H2O(g)以物质的量之比为1：3充入盛有催化剂的刚性容器中发生该反应。相同时间段内测得CO的体积分数()与温度(T)的关系如图2所示。

①T0℃时，CO的体积分数最大的原因为_________________________________。

②若T0℃时，容器内起始压强为p0，CO的平衡体积分数为10%，则反应的平衡常数Kp=___________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。

Answer 1

【答案】+44 kJmol﹣1 0.006 molL﹣1h﹣1 ＞ 该反应为吸热反应，温度升高，CH4的产量增大 弱于 低于T0 ℃时，相同时间段内温度越高反应速率越快，CO的体积分数越大；高于T0 ℃时，反应达到平衡，该反应为放热反应，温度越高CO的体积分数越小

【解析】

(1)甲烷的燃烧热为△H=-890kJmol-1，则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)△H=-890kJmol-1，根据盖斯定律，结合已知热化学方程式处理得H2O(l)=H2O(g)，再计算出△H；

②根据图象可知，T1℃、催化剂M作用下，0～20h内甲烷的物质的量变化为0.6mol，结合v=计算出甲烷的反应速率，然后结合反应速率与化学计量数成正比计算；

③根据催化剂不影响平衡，会使得化学反应速率增大，结合该反应为放热反应分析解答；

(2)①没有达到平衡状态时，温度越高反应速率越快，当达到平衡状态后，升高温度平衡向着逆向移动，据此分析；

②CH4(g)和H2O(g)的物质的量之比为1∶3，设CH4为xmol，H2O为3xmol，平衡时生成的CO为ymol，然后根据三段式分析解答。容器容积相同时，气体的压强与物质的量成正比，T0℃时，容器内起始压强为p0，计算出平衡时的压强，再分别计算出平衡时各气体的分压，带入平衡常数表达式计算即可。

(1)①已知：CO2(g)+2H2O(g)CH4(g)+2O2(g)△H＝+802kJmol﹣1①，甲烷的燃烧热为△H＝﹣890kJmol﹣1，则甲烷燃烧的热化学方程式可表示为CH4(g)+2O2(g)＝CO2(g)+2H2O(l)△H＝﹣890 kJmol﹣1②，根据盖斯定律，﹣(①+②)可得：H2O(l)＝H2O(g)△H＝﹣ [+802kJmol﹣1+(﹣890 kJmol﹣1)]＝+44 kJmol﹣1，故答案为：+44 kJmol﹣1；

②根据图像可知，T1℃、催化剂M作用下，0～20h内水的物质的量变化为0.6mol，则v(CH4)＝0.003 molL﹣1h﹣1，所以v(H2O)＝2v(CH4)＝0.006 molL﹣1h﹣1，故答案为：0.006 molL﹣1h﹣1；

③该反应为吸热反应，温度升高，CH4的产量增大，根据图像可知，温度为T1条件下，平衡时甲烷的物质的量较大，则T1＞T2；已知温度T1＞T2，若不使用催化剂，应该在温度T1条件下优先达到平衡状态，根据图像可知，使用催化剂N的曲线优先达到平衡状态，说明催化剂的催化效果：M弱于N，故答案为：＞；该反应为吸热反应，温度升高，CH4的产量增大；弱于；

(2)①在温度低于T0 ℃时，相同时间段内温度越高反应速率越快，则CO的体积分数越大；在温度为T0 ℃时，反应达到平衡，由于该反应为放热反应，温度越高CO的体积分数越小，所以T0℃时CO的体积分数最大，故答案为：低于T0 ℃时，相同时间段内温度越高反应速率越快，CO的体积分数越大；高于T0 ℃时，反应达到平衡，该反应为放热反应，温度越高CO的体积分数越小；

②CH4(g)和H2O(g)的物质的量之比为1∶3，设CH4为xmol，H2O为3xmol，平衡时生成的CO为ymol，CO的平衡体积分数为10%

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

初始(mol) x 3x 0 0

转化(mol) y y y 3y

平衡(mol) x﹣y 3x﹣y y 3y

则：×100%=10%，解得：y=0.5x，平衡时混合气体的总物质的量为：x-0.5x+3x-0.5x+0.5x+0.5x×3=5x，反应前总物质的量为4xmol，容器容积相同时，气体的压强与物质的量成正比，T0℃时，容器内起始压强为p0，则平衡时压强为：p0×=1.25p0，平衡时p(CH4)=×1.25p0=p0，p(H2O)=×1.25p0=p0，p(CO)=×1.25p0=p0，p(CH4)=×1.25p0=p0，反应的平衡常数Kp==，故答案为：。