Question

2．天然气是一种重要的清洁能源和化工原料，其主要成分为甲烷．
（1）已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
工业上可用煤制天然气，生产过程中有多种途径生成CH₄．写出CO与H₂反应生成CH₄和H₂O的热化学方程式CO（g）+3H₂（g）CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1．
（2）天然气中的H₂S杂质常用氨水吸收，产物为NH₄HS．一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并使吸收液再生，写出再生反应的化学方程式2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）用天然气制取H₂的原理为：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．在密闭容器中通入物质的量浓度均为0.1mol•L^-1的CH₄与CO₂，在一定条件下发生反应，测得CH₄的平衡转化率与温度及压强的关系如下图1所示，则压强P₁小于P₂（填“大于”或“小于”）；压强为P₂时，在Y点：v（正）大于v（逆）（填“大于”、“小于”或“等于”）． 求Y点对应温度下的该反应的平衡常数K=1.6mol²•L^-2．（计算结果保留两位有效数字）

（4）以二氧化钛表面覆盖CuAl₂O₄ 为催化剂，可以将CH₄和CO₂直接转化成乙酸．
①在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的生成速率如图2所示．250～300℃时，温度升高而乙酸的生成速率降低的原因是温度超过250°C时，催化剂的催化效率降低．
②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以采取的措施是增大反应压强或增大CO₂的浓度．

Answer 1

分析 （1）已知：Ⅰ．CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₁=-41kJ•mol^-1
Ⅱ．C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1
Ⅲ．2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅲ-Ⅰ+Ⅱ可得：CO （g）+3H₂（g） CH₄（g）+H₂O；
（2）氧气将-2价S氧化为S单质，根据氧化还原反应的书写方法书写反应；
（3）温度一定时，增大压强平衡逆向移动，甲烷的转化率减小；
Y点甲烷转化率小于同温同压下平衡时转化率，故Y点向正反应进行建立平衡；
温度为1100℃，压强为P₂时甲烷的转化率为80%，则平衡时甲烷浓度变化量为0.1mol•L^-1×70%=0.1mol，计算平衡时各组分浓度，代入K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$计算平衡常数；
（4））①由图可知，该催化剂在250℃左右时催化剂效率最高；
②提高该反应中CH₄的转化率，改变条件应使平衡向正反应方向移动，注意不能只增大甲烷的浓度，否则甲烷的转化率降低．

解答 解：（1）已知：Ⅰ．CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H₁=-41kJ•mol^-1
Ⅱ．C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H₂=-73kJ•mol^-1
Ⅲ．2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H₃=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，Ⅲ-Ⅰ+Ⅱ可得：CO （g）+3H₂（g） CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1，
故答案为：CO （g）+3H₂（g） CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
（2）氧气将-2价S氧化为S单质，反应方程式为：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓，故答案为：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）温度一定时，增大压强平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，故压强P₁＜P₂；Y点甲烷转化率小于同温同压下平衡时转化率，故Y点向正反应进行建立平衡，则v（正）＞v（逆；温度为1100℃，压强为P₂时甲烷的转化率为80%，则平衡时甲烷浓度变化量为0.1mol•L^-1×70%=0.07mol，则：
               CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）
起始浓度（mol/L）：0.1  0.1        0       0
变化浓度（mol/L）：0.07   0.07   0.14    0.14
平衡浓度（mol/L）：0.03   0.03   0.14    0.14
故平衡常数K=K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）×c（C{H}_{4}）}$=$\frac{0.1{4}^{2}×0.1{4}^{2}}{0.03×0.03}$（mol．L）²=1.6 mol²•L^-2，
故答案为：小于；大于；1.6 mol²•L^-2；
（4））①由图可知，该催化剂在250℃左右时催化剂效率最高，温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低，所以温度升高而乙酸的生成速率降低，
故答案：温度超过250℃时，催化剂的催化效率降低；
②提高该反应中CH₄的转化率，改变条件应使平衡向正反应方向移动，正反应是气体体积减小的反应，缩小容器体积增大压强、增大CO₂的浓度，平衡正向移动，反应物转化率增大，
故答案为：增大反应压强或增大CO₂的浓度．

点评 本题考查化学平衡计算、平衡常数、化学平衡图象、盖斯定律的应用等，题目涉及的知识点较多，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力，题目难度中等．