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8.研究证明:CO2可作为合成低碳烯烃的原料加以利用,目前利用CO2合成乙烯相关的热化学方程式如下:
反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-49.01 kJ•mol-1
反应Ⅱ:2 CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g)△H2=-24.52 kJ•mol-1
反应Ⅲ:CH3OCH3(g)?C2H4(g)+H2O(g)△H3=-5.46 kJ•mol-1
反应Ⅳ:2CO2(g)+6H2(g)?C2H4(g)+4H2O(g)△H4
反应开始时在0.1MPa下,n(H2):n(CO2)=3:1的投料比充入体积固定的密闭容器中,发生反应Ⅳ,不同温度下平衡时的四种气态物质的量百分数如图1所示:
请回答下列问题:
(1)△H4=-128kJ•mol-1
(2)可以判断该反应已经达到平衡的是CE
A.v(CO2)=2v(C2H4)    
B.混合气体的密度不再改变
C.混合气体的压强不再改变 
D.平衡常数K不再改变
E.C2H4的体积分数不再改变
(3)曲线a表示的物质为H2(填化学式),判断依据由曲线变化可知随着温度升高,氢气的物质的量逐渐增多,说明升高温度平衡逆向移动,反应开始时在0.1MPa下,n(H2):n(CO2)=3:1的投料比可知a为H2的变化曲线,c为CO2的变化曲线,结合计量数关系可知b为水,d为C2H4的变化曲线.
(4)为提高CO2的平衡转化率,可以采取的措施是ABD.
A.降低温度B.分离出H2OC.增加原催化剂的表面积D.增大压强
(5)在图2中,画出393K时体系中C2H4的体积分数随反应时间(从常温进料开始计时)的变化趋势,并标明平衡时C2H4的体积分数数值.

分析 (1)依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式,Ⅰ×2+Ⅱ+Ⅲ得到热化学方程式和对应焓变;
(2)反应是气体体积减小的放热反应,达到平衡状态的标志是正逆反应速率相同,各组分含量保持不变,分析选项中“变量不变”说明反应达到平衡状态;
(3)正反应放热反应,由曲线变化可知随着温度升高,氢气的物质的量逐渐增多,说明升高温度平衡逆向移动,反应开始时在0.1MPa下,n(H2):n(CO2)=3:1的投料比可知a为H2的变化曲线,c为CO2的变化曲线,结合计量数关系可知b为水,d为C2H4的变化曲线;
(4)反应是放热反应,降低温度,平衡正向进行,反应前后气体体积减小,可采取的措施是增大压强平衡正向进行,分离出生成物,平衡正向进行等措施,改变条件使平衡状态正向进行;
(5)393K时体系中C2H4的体积分数随反应时间的变化趋势是,常温进料开始计时,反应不能进行,随温度升高,反应开始进行到393达到平衡状态,随温度升高,平衡逆向进行乙烯含量减小,据此画出图象变化;

解答 解:(1)反应Ⅰ:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-49.01 kJ•mol-1
反应Ⅱ:2 CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g)△H2=-24.52 kJ•mol-1
反应Ⅲ:CH3OCH3(g)?C2H4(g)+H2O(g)△H3=-5.46 kJ•mol-1
依据盖斯定律计算Ⅰ×2+Ⅱ+Ⅲ得到:2CO2(g)+6H2(g)?C2H4(g)+4H2O(g)△H4=-128KJ/mol,
故答案为:-128KJ/mol;
(2)2CO2(g)+6H2(g)?C2H4(g)+4H2O(g)△H4=-128KJ/mol,可以判断该反应已经达到平衡的是
A.v(CO2)=2v(C2H4)表示的是正反应速率之比,不能说明正逆反应速率相同,故A错误;    
B.反应前后气体质量和体积不变,混合气体的密度始终不改变,不能说明反应达到平衡状态,故B错误;
C.反应前后气体物质的量变化,当混合气体的压强不再改变,说明反应达到平衡状态,故C正确;
D.平衡常数随温度变化,平衡常数K不再改变不能说明反应达到平衡状态,故D错误;
E.C2H4的体积分数不再改变是平衡的标志,故E正确;
故答案为:CE.
(3)正反应放热反应,由曲线变化可知随着温度升高,氢气的物质的量逐渐增多,说明升高温度平衡逆向移动,反应开始时在0.1MPa下,n(H2):n(CO2)=3:1的投料比可知a为H2的变化曲线,c为CO2的变化曲线,结合计量数关系可知b为水,d为C2H4的变化曲线,
故答案为:H2,由曲线变化可知随着温度升高,氢气的物质的量逐渐增多,说明升高温度平衡逆向移动,反应开始时在0.1MPa下,n(H2):n(CO2)=3:1的投料比可知a为H2的变化曲线,c为CO2的变化曲线,结合计量数关系可知b为水,d为C2H4的变化曲线;
(4)为提高CO2的平衡转化率,反应是放热反应,降低温度,平衡正向进行,反应前后气体体积减小,可采取的措施是增大压强或提高$\frac{n({H}_{2})}{n(C{O}_{2})}$比值,分离出生成物,平衡正向进行,二氧化碳转化率增大,催化剂改变化学反应速率不改变化学平衡;
故答案为:ABD;
(5)常温进料开始计时,反应不能进行,随温度升高,反应开始进行到393达到平衡状态,随温度升高,平衡逆向进行乙烯含量减小,据此画出图象变化,393K时体系中C2H4的体积分数随反应时间的变化趋势是增大后不变,图象为:
故答案为:

点评 本题考查了热化学方程式书写方法,化学平衡影响因素,平衡标志分析,平衡常数,反应速率概念计算应用,图象的分析判断是解题关键,题目难度较大.

练习册系列答案
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3.甲烷化技术是煤制天然气最核心、最关键的技术.CO加氢合成甲烷属于多相催化平衡反应,催化剂一般为镶催化剂(工作温度400K-800K),主反应式:
CO(g)+3H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-206kJ/mol  (1)
CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g)△H=-165kJ/mol  (2)
(1)煤经过气化、变换、净化得到的合成气中一般含有H2、CO、CO2、H2O和惰性气体.
①请写出H2O(g)与CO反应的热化学反应方程式CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=-41kJ/mol.(该反应编号为“(3)”).
②若主反应(1)(2)的平衡常数450K时分别为K1、K2,则与“H2O与CO反应的平衡常数K3(同温度)”的数量关系为$\frac{K{\;}_{1}}{K{\;}_{2}}$.
(2)在体积不变的容器中,进行甲烷化反应,若温度升高,CO和H2的转化率都降低(填“降低”、“升高”或“不变”),但数据显示CO转化率变化更为显著,主要原因是 CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)△H=-41kJ/mol温度升高,平衡向逆方向移动,进一步消耗了氢气而生成了CO,使CO转化率更低.
(3)当温度在800K以上时,平衡体系中还会有下列2个副反应:
2CO(g)=C(g)+CO2(g)△H=-171kJ/mol (快反应) (4)
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甲烷化反应容器就会出现碳固体结块现象,热量传递不好而使催化剂烧结,失去催化作用.
(4)甲烷化反应容器主副反应(1)至(5),其平衡常数K的对数lnK与温度关系如图:写出图中曲线A、B所对应的反应方程式编号(1)(3).

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