Question

10．二氧化碳重整甲烷不仅可以获得合成气（CO和H₂）还可减少温室气体排放．回答下列问题：
（1）已知断裂1mol化学键所需的能量如表：（CO的化学键近似表示为CO）：

化学键	C≡O	C=O	C-H	H-H
能量/kJ•mol-1	1074	803	413	436

则反应CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+238KJ/molkJ•mol^-1．
（2）在T℃时，向恒温4L的密闭容器中通入6mol CO₂、6mol CH₄，在催化剂作用下发生反应：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．达平衡时H₂的体积分数为0.4，若再向容器中同时充入2mol CO₂、6molCH₄、4molCO和8molH₂，则上述平衡向逆反应（填“正反应”或“逆反应”）方向移动．
（3）CH₄/CO₂重整反应通过热力学计算可得到的图象之一如图1．实际生产中有C、H₂O（g）等生成，生成碳的反应之一为CH₄（g）?C（s）+2H₂（g），600℃之后，C的物质的量减少，请用方程式表示C减少的原因C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO．

（4）不同温度对CO₂的转化率及催化剂的效率影响如图2所示，下列有关说法不正确的是①②④（填序号）．
①不同条件下反应，N点的速率最大
②温度低于250℃时，随温度升高乙烯的产率增大
③M点时平衡常数比N点时平衡常数大
④实际反应应尽可能在较低的温度下进行，以提高CO₂的转化率
（5）已知某温度下CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常数为K₁
H₂O（g）+CH₄（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常数为K₂
C（s）+H₂O（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常数为K₃
则反映C（g）+CO₂（g）?2CO（g） 的平衡常数为K为$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$（用K₁、K₂、K₃表示）

Answer 1

分析 （1）化学反应中的热量=反应物键能总和-生成物键能总和；
（2）比较体系的浓度商与化学平衡常数，判断化学平衡移动方向；
（3）据C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO来分析；
（4）①温度越高，反应速率越大；
②该反应是放热反应，升温平衡逆向移动；
③反应是放热反应，温度升高平衡逆向进行；
④温度越低催化剂活性越小，反应速率越慢；
（5）①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常数为K₁=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$，
②H₂O（g）+CH₄（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常数为K₂=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}$，
③C（g）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）的平衡常数为K₃=$\frac{c（CO）c（{H}_{2}）}{c（C）c（{H}_{2}O）}$，则反映C（g）+CO₂（g）?2CO（g）K=$\frac{{c}^{2}（CO）}{c（C）c（C{O}_{2}）}$=$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$，据此进行分析；

解答 解：（1）反应过程中能量变化分析可知，CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），故△H=4×413KJ/mol+2×803KJ/mol-2×1074KJ/mol-2×436KJ/mol=+238KJ/mol，
故答案为：+238KJ/mol；
（2）达平衡时H₂的体积分数为0.4，故n平（H₂）=0.4×（6mol+6mol）=4.8mol，c平（H₂）=$\frac{4.8mol}{4L}$=1.2mol/L，
                CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
开始（c）  1.5             1.5             0              0
变化          0.6             0.6           1.2           1.2
平衡          0.9             0.9            1.2          1.2，故k$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）•c（C{H}_{4}）}$=$\frac{1．{2}^{2}×1．{2}^{2}}{0.9×0.9}$=2.56，同时充入2.0mol CO₂、6.0mol CH₄、4.0mol CO和8.0mol H₂，则各物质浓度分别为：c（CO₂）=0.5mol/L，c（CH₄）=1.5mol/L，c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2mol/L，浓度商$\frac{{1}^{2}×{2}^{2}}{0.5×1.5}$=5.33＞2.56，即化学平衡向逆反应方向移动，
故答案为：逆反应；
（3）C减少的原因是C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO，
故答案为：C+CO₂$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$2CO；
（4）①温度越高，反应速率越大，但M、N点温度、催化剂均不同，则N点速率不最大，故①不正确；
②温度低于250℃时，随温度升高平衡逆向进行乙烯的产率减小，故②不正确；
③升高温度二氧化碳的平衡转化率减低，则升温平衡逆向移动，所以M化学平衡常数大于N，故③正确；
④为提高CO₂的转化率，平衡正向进行，反应是放热反应，低的温度下进行反应，平衡正向进行，但催化剂的活性、反应速率减小，故④不正确；
故答案为：①②④；
（5）①CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）的平衡常数为K₁=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$，
②H₂O（g）+CH₄（g）?CO（g）+3H₂（g）的平衡常数为K₂=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{4}）}$，
③C（g）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）的平衡常数为K₃=$\frac{c（CO）c（{H}_{2}）}{c（C）c（{H}_{2}O）}$，则反应C（g）+CO₂（g）?2CO（g）K=$\frac{{c}^{2}（CO）}{c（C）c（C{O}_{2}）}$=$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$，
故答案为：$\frac{{K}_{3}{•K}_{1}}{{K}_{2}}$．

点评 本题考查盖斯定律、电解原理、化学平衡计算等知识点，侧重考查学生图象分析、计算能力，明确化学反应原理、电解原理是解本题关键，难点是电极反应式的书写，题目难度不大．