Question

1．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）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CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-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
（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）天然气的一个重要用途是制取H₂，其原理为：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=1.6．（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高于250℃时，催化剂的活性降低，使催化效率下降．
②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以采取的措施是增大CO₂的浓度或及时分离出乙酸．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律书写目标热化学方程式；
（2）NH₄HS中硫元素为-2价，具有还原性能被氧气氧化为硫单质；
（3）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小；压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动；根据转化率计算平衡时各物质的平衡浓度，利用生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积得到平衡常数；
（4）①催化剂活性越大，反应速率越大，温度过高，催化剂的活性降低；
②为了提高该反应中的CH₄转化率，可以使平衡正向移动．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②+③-①得：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1，
故答案为：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
（2）NH₄HS中硫元素为-2价，具有还原性能被氧气氧化为硫单质，则一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫和氨水，则反应方程式为：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓，
故答案为：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小，已知相同温度下，P₁条件下的转化率大于P₂，则P₁小于P₂，压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动，所以v（正）大于v（逆）；
在Y点对应温度下的甲烷的平衡转化率为80%，则
                      CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始（mol/L） 0.1            0.1              0              0
转化（mol/L）0.08           0.08            0.16           0.16              
平衡（mol/L）0.02           0.02             0.16          0.16
所以平衡常数K=$\frac{{0.16}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$=1.6；
故答案为：小于；大于；1.6；
（4）①由于250℃是Cu₂Al₂O₄催化剂的活性温度，所以在250℃时催化剂活性最大，反应速率大，温度250～300℃时，催化剂的活性降低，使催化效率下降，
故答案为：温度高于250℃时，催化剂的活性降低，使催化效率下降；
②平衡正向移动，CH₄转化率增大，增大CO₂的浓度或及时分离出乙酸，平衡正向移动，
故答案为：增大CO₂的浓度或及时分离出乙酸．

点评 本题考查了化学平衡常数的计算、盖斯定律的应用、平衡的移动等，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．