Question

【題目】CO2是目前最主要的溫室氣體，減小CO2的排放并用來制造有價值的化學用品是目前的研究目標。

（1）利用CO2與CH4生產合成氣(CO、H2)：

已知：CH4(g)+2O2(g)CO2(g)+2H2O(g) ΔH=－890.3 KJ·mol－1

CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH=+2.8 KJ·mol-1

2CO(g)+O2(g)2CO2(g) ΔH=－566.0 KJ·mol－1

反應CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH= ____________。

②250℃時，以鎳合金為催化劑，向體積為4 L的密閉容器中通入6 mol CO2、6 mol CH4，開始發生如下反應：CO2(g)+CH4(g)2CO(g)+2H2(g)。經過一段時間達到平衡，平衡體系中各組分體積分數(某一成分物質的量占總氣體物質的量的百分數)如下表：

物質	CH4	CO2	CO	H2
體積分數	0.1	0.1	0.4	0.4

此溫度下該反應的平衡常數K=________________。

（2）以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉化成乙酸。在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如下圖所示。250～300℃時，乙酸的生成速率減小的可能原因是____________________。

（3） 如以氫氧化鉀水溶液作電解質進行電解，CO2在銅電極上可轉化為甲烷，該電極反應方程式為_____________________。

（4）將2mol CO2和6molH2容積相同而溫度不同的Ⅰ、Ⅱ兩個恒容密閉容器中開始發生反應：CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)，測得CH3OH的物質的量隨時間的變化如下圖1所示。

①曲線Ⅰ、Ⅱ對應的平衡常數大小關系為KⅠ_______KⅡ(填“>”“=”或“<”)，可知該 反應是一個_______(填“放熱”或“吸熱”)反應。

②下列事實說明該反應已達到平衡狀態的是_________________：

A．容器內氣體壓強保持不變

B．容器內氣體的密度保持不變

C．CO2的體積分數保持不變

D．CO2的消耗速率與CH3OH的生成速率相等

E．容器內混合氣體的平均相對分子質量保持不變

（5）利用光能和光催化劑，可將CO2和H2O(g)轉化為CH4和O2。紫外光照射時，在不同催化劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下，CH4產量隨光照時間的變化如上圖2所示。在0～15小時內，CH4的平均生成速率Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ從大到小的順序為_____________(填序號)。

Answer 1

【答案】（1）①+247.3KJ/mol；②64；

（2）250～300℃時催化劑的催化效率急劇降低；

（3）CO2＋6H2O=8e－=CH4＋8OH－；

（4）①＞，放熱；②ACE；

（5）Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ。

【解析】

試題分析：（1）①CH4(g)+2O2(g) CO2(g)+2H2O(g)，

②CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)，

③2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)，得出①＋2×②－2×③

△H=(－890.3＋2×2.8＋2×566)kJ·mol－1= ＋247.3kJ·mol－1；

②CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始： 6 6 0 0

變化： x x 2x 2x

平衡：6－x 6－x 2x 2x

根據體積分數，求出x=4，達到平衡時c(CO2)=2/4mol·L－1=0.5mol·L－1，c(CH4)=0.5mol·L－1，c(CO)=c(H2)=2mol·L－1，根據化學平衡常數的表達式，K=c2(H2)×c2(CO)/[c(CO2)×c(CH4)]=24/(0.5×0.5)= 64；（2）根據圖像，250～300℃時催化劑的催化效率急劇降低；（3）CO2→CH4，化合價降低，得到電子，環境是堿性，因此電極反應式為CO2＋6H2O=8e－=CH4＋8OH－；（4）①先平衡，說明反應速率快，即II的溫度大于I的溫度，隨著溫度升高，CH3OH的物質的量降低，說明平衡向逆反應方向進行，正反應是放熱反應，化學平衡常數只受溫度的影響，即KI>KII；②A、反應前后氣體系數之和不相等，因此壓強不變，說明反應達到平衡，故正確；B、根據密度的定義，組分都是氣體，因此氣體質量不變，容器是恒容狀態，氣體體積不變，因此密度不變，不能說明反應達到平衡，故錯誤；C、根據化學平衡狀態的定義，CO2的體積分數不變，說明反應達到平衡，故正確；D、用不同物質的反應速率表示達到平衡，要求反應方向一正一逆，且反應速率之比等于化學計量數之比，CO2的消耗速率和CH3OH的生成速率都是向正反應方向進行，因此不能判斷平衡，故錯誤；E、根據M=m/n，組分都是氣體，氣體質量不變，反應前后氣體系數之和不變，n不變時，說明反應達到平衡，故正確；（5）根據圖像，單位時間內，CH4的產率變化大，說明生成速率快，即Ⅱ＞Ⅲ＞Ⅰ。