Question

9．工业上利用CO₂和H₂催化氢化可以制取甲烷．
（1）已知 
①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890kJ•mol^-1
②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（l）△H=-572kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44kJ•mol^-1
CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）△H=a kJ•mol^-1
据此，a=-166，利于该反应自发进行的条件是低温（选填“高温”或“低温”）．
（2）在一定压强、不同温度下，两种催化剂分别催化CO₂加氢甲烷化反应2h的结果如图1所示（一定温度下仅改变催化剂，其他条件不变）：a、b-催化剂I； c、d-催化剂II．甲烷化选择性：指含碳产物中甲烷的物质的量分数．请据图1分析：

①催化剂I实验，400℃～450℃时CO₂转化率下降的原因可能为温度高速率快2h已达平衡，反应放热升温平衡逆移，所以反应的CO₂减
少转化率下降．
②催化剂II实验，检测密闭容器中产物发现，温度升高甲烷的选择性下降是发生了：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g）△H＞0．若不再改变温度，提高甲烷化选择性可以采取的一个措施：改用催化剂I或加压．（写出一个合理措施即可）
（3）下列与甲烷化反应有关的描述中，正确的是A、C、D．
A．单位时间内断裂2molC=O键的同时断裂4molC-H，说明该反应已达平衡
B．催化剂Ⅰ作用下的活化能比催化剂Ⅱ的大
C．甲烷化反应在绝热的密闭容器中进行时，当容器中温度不变时说明达到平衡
D．催化剂Ⅰ下，300-450℃内，选择性保持不变的主要原因是其它副反应的速率很慢
（4）催化剂I实验，400℃时，向2L固定体积的密闭容器中通入1mol CO₂和4mol H₂，CH₄物质的量随时间的变化趋势如图2时所示，则2h内CO₂平均反应速率为0.125mol•L^-1•h^-1．若其他条件不变，反应在恒压条件下进行，请在图2中画出反应体系中n（CH₄）随时间t变化的趋势图．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律计算，CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l），熵变△S＜0，则反应焓变△H＜0，低温下满足△H-T△S＜0；
（2）①温度太高催化剂活性下降反应速率减小2h反应的CO₂减少转化率下降或温度高速率快2h已达平衡，反应放热升温平衡逆移，所以反应的CO₂减少转化率下降；
②若不再改变温度，改用催化剂I或加压能加快反应速率；
（3）正反应速率等于逆反应速率不等于0则平衡，变量不变则平衡；
（4）根据v=$\frac{\frac{（1-0.5）mol}{2L}}{2h}$计算；若其他条件不变，反应在恒压条件下温度高反应快，先平衡．

解答 解：（1）根据盖斯定律，CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）等于②×2-①-③，△H=-572×2-（-890）-（-44）=-166kJ•mol^-1，CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l），熵变△S＜0，则反应焓变△H＜0，低温下满足△H-T△S＜0，
故答案为：-166；低温；
（2）①催化剂I实验，400℃～450℃时CO₂转化率下降的原因可能为温度太高催化剂活性下降反应速率减小2h反应的CO₂减少转化率下降或温度高速率快2h已达平衡，反应放热升温平衡逆移，所以反应的CO₂减少转化率下降，故答案为：温度高速率快2h已达平衡，反应放热升温平衡逆移，所以反应的CO₂减少转化率下降；
②若不再改变温度，提高甲烷化选择性可以采取加快速率，措施为改用催化剂I或加压，故答案为：改用催化剂I或加压；
（3）下列与甲烷化反应有关的描述中，正确的是
A．单位时间内断裂2molC=O键的同时断裂4molC-H，方向相反成正比例，说明该反应已达平衡，A正确；
B．催化剂降低反应所需活化能，Ⅰ作用下的活化能比催化剂Ⅱ的小，B错误；
C．甲烷化反应在绝热的密闭容器中进行时，温度为变量，变量不变则平衡，C正确；
D．催化剂Ⅰ下，300-450℃内，选择性保持不变的主要原因是其它副反应的速率很慢，正确；
故答案为：ACD；
（4）2h甲烷变化0.5mol，CO₂变化0.5mol，故v=$\frac{\frac{（1-0.5）mol}{2L}}{2h}$=0.125mol•L^-1•h^-1；若其他条件不变，反应在恒压条件下进行，反应体系中n（CH₄）随时间t变化的趋势图为，故答案为：0.125mol•L^-1•h^-1；．

点评 本题考查化学反应速率或平衡的图象和热化学反应方程式，考查计算反应速率的大小比较以及反应物转化的多少，注意把握对题目图象的分析．题目较为综合，具有一定难度．