Question

1．天然氣是一種重要的清潔能源和化工原料，其主要成分為甲烷．
（1）工業上可用煤制天然氣，生產過程中有多種途徑生成CH₄．
寫出CO與H₂反應生成CH₄和H₂O的熱化學方程式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）天然氣中的H₂S雜質常用氨水吸收，產物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質硫并使吸收液再生，寫出再生反應的化學方程式2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）天然氣的一個重要用途是制取H₂，其原理為：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g）．
在密閉容器中通入物質的量濃度均為0.1mol•L^-1的CH₄與CO₂，在一定條件下發生
反應，測得CH₄的平衡轉化率與溫度及壓強的關系如下圖1所示，則壓強P₁小于P₂（填“大于”或“小于”）；壓強為P₂時，在Y點：v（正）大于v（逆）（填“大于”、“小于”或“等于”）． 求Y點對應溫度下的該反應的平衡常數K=1.6．（計算結果保留兩位有效數字）

（4）以二氧化鈦表面覆蓋CuAl₂O₄ 為催化劑，可以將CH₄ 和CO₂直接轉化成乙酸．
①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖2所示．250～300℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是溫度高于250℃時，催化劑的活性降低，使催化效率下降．
②為了提高該反應中CH₄的轉化率，可以采取的措施是增大CO₂的濃度或及時分離出乙酸．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律書寫目標熱化學方程式；
（2）NH₄HS中硫元素為-2價，具有還原性能被氧氣氧化為硫單質；
（3）該反應正向為體積增大的方向，壓強越大，CH₄的轉化率越小；壓強為P₂時，在Y點反應未達到平衡，則反應正向移動；根據轉化率計算平衡時各物質的平衡濃度，利用生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應物平衡濃度冪次方乘積得到平衡常數；
（4）①催化劑活性越大，反應速率越大，溫度過高，催化劑的活性降低；
②為了提高該反應中的CH₄轉化率，可以使平衡正向移動．

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
根據蓋斯定律，②+③-①得：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1，
故答案為：CO₂（g）+4H₂（g）=CH₄（g）+2H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
（2）NH₄HS中硫元素為-2價，具有還原性能被氧氣氧化為硫單質，則一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質硫和氨水，則反應方程式為：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓，
故答案為：2NH₄HS+O₂=2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）該反應正向為體積增大的方向，壓強越大，CH₄的轉化率越小，已知相同溫度下，P₁條件下的轉化率大于P₂，則P₁小于P₂，壓強為P₂時，在Y點反應未達到平衡，則反應正向移動，所以v（正）大于v（逆）；
在Y點對應溫度下的甲烷的平衡轉化率為80%，則
                      CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始（mol/L） 0.1            0.1              0              0
轉化（mol/L）0.08           0.08            0.16           0.16              
平衡（mol/L）0.02           0.02             0.16          0.16
所以平衡常數K=$\frac{{0.16}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$=1.6；
故答案為：小于；大于；1.6；
（4）①由于250℃是Cu₂Al₂O₄催化劑的活性溫度，所以在250℃時催化劑活性最大，反應速率大，溫度250～300℃時，催化劑的活性降低，使催化效率下降，
故答案為：溫度高于250℃時，催化劑的活性降低，使催化效率下降；
②平衡正向移動，CH₄轉化率增大，增大CO₂的濃度或及時分離出乙酸，平衡正向移動，
故答案為：增大CO₂的濃度或及時分離出乙酸．

點評 本題考查了化學平衡常數的計算、蓋斯定律的應用、平衡的移動等，題目涉及的知識點較多，側重于考查學生對基礎知識的綜合應用能力，題目難度中等．