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①:
反应②:
(l)CO燃烧的热化学方程式为 △H=____kJ/mol
(2)一定条件下,将CH4与CO2以体积比1:1置于恒温恒容的密闭容器中发生反应,下列能说明反应达到平衡状态的有____。
A.体系密度保持不变 B.容器中压强保持不变
C.H2和CO的体积比保持不变 D.每消耗lmolCH4的同时生成2mol CO
(3)重整反应中存在着副反应产生的积碳问题。加入少量的Na2CO3可不断消除积碳。请用化学方程式表示其反应过程:____,。
(4)已知甲烷临氧藕合CO2重整反应体系中还有反应③: 。在密闭容器中,重整反应①②③在1073K时催化下达到平衡,发现n(H2)/n(CO)<l,请从平衡移动的角度解释原因____。如果投料时增加氧气比例,下列预测可能错误的是____(填编号)。
A.氢气总产量减少 B.反应①的甲烷转化率升高
C.会产生副反应 D.对反应②的平衡无影响
(5)温度对重整反应体系中反应物平衡转化率,平衡时氢气、一氧化碳和水的物质的量影响如图所示。若CH4与CO2的起始投料相等,则起始时n(CH4)=___mol,在1000K时反应③的平衡常数K为____
【答案】-282.7 kJ·mol-1 B C + Na2CO3Na2O + 2CO 温度较高,反应①是放热反应,利于平衡向逆方向移动,生成氢气量减少;而反应③是吸热反应,利于平衡向正方向移动,消耗氢气量增多且CO生成量增多,从而n(H2)/n(CO)小于1 AD 1 3.5
【解析】
(1)通过盖斯定律,反应①-反应②即可解答;
(2)A.根据和质量守恒定律分析;;
B.反应前后气体总体积相等压强不能判断平衡,反应前后气体总体积不相等压强能判断平衡;
C.各物质体积分数保持不变可判断平衡;
D.物质的变化判断平衡需要有正反应也有逆反应,还要符合计量数之比;
(3)题干已知反应中有Na2O参与反应,所以前一步反应应该是有Na2O生成,再根据氧化还原写方程式;
(4)n(H2)/n(CO)小于1,那么n(H2)减小,n(CO)增大,利用平衡分析各反应如何移动使n(H2)减小,n(CO)增大;结合浓度对化学平衡的移动作答;
(5)由于该体系中存在三个反应,可以通过设未知数解答,利用图中和三个反应共同的物质数量关系解未知数,最后将反应③各物质的物质的量求出,利用平衡常数计算公式计算出平衡常数。
(1)反应①-反应②得 △H=-35.7kJ/mol-247.0kJ/mol=-282.7kJ/mol。答案: △H=-282.7kJ/mol;
(2)A.,气体总质量不变,恒容体积不变,密度保持不变,不能作为判断平衡的标志;
B.反应前后气体体积不同,所以压强保持不变能作为判断平衡的标志;
C.H2和CO都是生成物,计量数之比为1:1,反应开始后,体积比保持1:1,不能作为判断平衡的标志;
D.消耗lmolCH4是正反应方向,生成2mol CO也是正反应方向,所以不能作为判断平衡的标志;
答案:B。
(3)从已知反应可以知道,加入Na2CO3消除积碳,反应会有Na2O生成,故反应方程式为:C + Na2CO3 Na2O + 2CO。答案:C + Na2CO3 Na2O + 2CO;
(4)反应②中CO和H2化学计量数之比为1:1,平衡移动会同等程度增大或减小,不影响n(H2)/n(CO);反应①是放热反应,1073K时温度较高,反应①平衡向逆方向移动,生成氢气量相对减少;而反应③是吸热反应,利于反应③平衡向正方向移动,消耗氢气量增多且CO生成量增多,从而导致n(H2)/n(CO)小于1。投料时增加氧气比例,反应①正向移动,CH4转化率升高,进而导致反应②平衡逆向移动,氢气总产量无法判断;氧气比例升高会与CH4反应生成CO2,所以会产生副反应,故A、D错误。答案:温度较高,反应①是放热反应,利于平衡向逆方向移动,生成氢气量减少;而反应③是吸热反应,利于平衡向正方向移动,消耗氢气量增多且CO生成量增多,从而n(H2)/n(CO)小于1;AD;
(5)设在1000K时起始时的n(CH4)=n(CO2)=xmol,参与反应①中各物质物质的量变化Δn(CH4)=Δn(CO)=1/2Δn(H2)=y mol,参与反应②中各物质物质的量变化Δn(CH4)=Δn(CO2)=1/2Δn(CO)=1/2Δn(H2)=z mol,而在反应③中Δn(H2O)=Δn(CO2)=Δn(CO)=Δn(H2)=0.4mol,因为,所以,则y=0.4mol;而对于H2则有2y+2z-0.4=1.3,所以z=0.45;,代入解得x=1mol。在1000K时反应到平衡时,n(CO2)=0.15mol,n(H2)=1.3mol,n(CO)=1.7mol,n(H2O)=0.4mol,设容器体积为V,则平衡常数。答案: 1;3.5。