题目内容
【题目】研究CO2与CH4反应使之转化为CO和H2,对减缓燃料危机和减少温室效应具有重要的意义。工业上CO2与CH4发生反应I:CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g) △H1
在反应过程中还发生反应Ⅱ:H2(g)+CO2(g)=H2O(g)+CO(g)△H2=+41kJ/mol
(l)已知部分化学键的键能数据如下表所示:
化学键 | C—H | H—H | C=O | |
键能(kJ/mol) | 413 | 436 | 803 | 1076 |
则△Hl =____kJ/mol,反应Ⅰ在一定条件下能够自发进行的原因是____,该反应工业生产适宜的温度和压强为____(填标号)。
A.高温高压 B.高温低压 C.低温高压 D.低温低压
(2)工业上将CH4与CO2按物质的量1:1投料制取CO2和H2时,CH4和CO2的平衡转化率随温度变化关系如图所示。
①923K时CO2的平衡转化率大于CH4的原因是________________________
②计算923K时反应II的化学平衡常数K=______(计算结果保留小数点后两位)。
③1200K以上CO2和CH4的平衡转化率趋于相等的原因可能是____。
(3)工业上CH4和CO2反应时通常会掺入O2发生反应
III: CH4+2O2=CO2+2H2O,掺人O2可消除反应产生的积碳和减小反应器的热负荷(单位时间内维持反应发生所需供给的热量),O2的进气量与反应的热负荷的关系如图所示。
①随着O2进入量的增加,热负荷下降的原因是 ____。
②掺人O2可使CH4的平衡转化率____(填“增大”、“减小”或“不变”。下同),CO2的平衡转化率________
【答案】+234 △S>0 B CH4和CO2按1:1投料发生反应I时转化率相等,CO2还发生反应II,所以平衡转化率大于CH4 0.39 1200K以上时以反应I为主,二者转化率趋于相等(或1200K以上时反应I的正向进行程度远大于反应II)(或1200K以上时反应I的平衡常数远大于反应II) 反应III放热,给反应体系提供能量,使热负荷降低 增大 减小
【解析】
(l)已知部分化学键的键能,通过反应物的总键能减去生成物的总键能可以计算
△Hl,从焓变和熵变综合判断反应Ⅰ自发反应的原因,从平衡移动角度来判断反应条件;
(2)工业上将CH4与CO2按物质的量1:1投料,发生反应Ⅰ、II,则
①923K时CO2的平衡转化率大于CH4的原因从二者实际参加的反应来讨论;
②从图、及题干中提供的数据结合反应Ⅰ、II,用三段式按定义计算923K时反应II的化学平衡常数K;
③1200K以上CO2和CH4的平衡转化率趋于相等的原因还是从实际参加的反应来讨论;
(3)工业上CH4和CO2反应时通常会掺入O2,则发生反应 III: CH4+2O2=CO2+2H2O;
①按热负荷的定义——单位时间内维持反应发生所需供给的热量以及O2的进气量与反应III放出的热量关系,据此解题;
②发生反应 III: CH4+2O2=CO2+2H2O,分析甲烷、二氧化碳的物质的量及消耗量,分析CH4的平衡转化率和CO2的平衡转化率受到的影响;
(l)已知部分化学键的键能,焓变等于反应物的总键能减去生成物的总键能,则△Hl=;
答案为:+234;
反应I:CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g) △H1,△S>0,因此△S>0是反应Ⅰ自发反应的原因,该反应是吸热、气体分子总数增大的反应,因此,选择高温低压的条件;
答案为:△S>0; B;
(2)①923K时反应Ⅰ中CH4和CO2的平衡转化率是一样的,但是,二氧化碳还参加反应II,因此其平衡转化率大于CH4;
答案为:CH4和CO2按1:1投料发生反应I时转化率相等,CO2还发生反应II,所以平衡转化率大于CH4;
②CH4和CO2按1:1投料,设投料时的物质的量浓度为1mol/L,由图知CH4和CO2的转化率为60%、70%,则发生反应I时
发生反应II:;
答案为:0.39;
③反应I中CO2和CH4的平衡转化率相等,1200K以上CO2和CH4的平衡转化率趋于相等则意味着该条件对反应I更有利,以反应I为主;
答案为:1200K以上时以反应I为主,二者转化率趋于相等(或1200K以上时反应I的正向进行程度远大于反应II)(或1200K以上时反应I的平衡常数远大于反应II);
(3)工业上CH4和CO2反应时通常会掺入O2,则发生反应 III: CH4+2O2=CO2+2H2O,
①反应III是放热反应,给反应体系提供能量,通入氧气越多反应中放出的热量越多,则热负荷值越小;
答案为:反应III放热,给反应体系提供能量,使热负荷降低;
②发生反应 III: CH4+2O2=CO2+2H2O,促进甲烷消耗,则CH4的平衡转化率增大;
答案为:增大;
发生反应 III: CH4+2O2=CO2+2H2O不利于反应I,减少了二氧化碳的消耗量,又使二氧化碳浓度增大,因此二氧化碳的平衡转化率下降;
答案为:减小。