氢气和碳氧化物反应生成甲烷，有利于实现碳循环利用。涉及反应如下：反应Ⅰ：CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) H1=-206.2kJ/mol反应Ⅱ：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2反应Ⅲ：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) H3=-165.0kJ/mol。回答下列问题：

1. 氢气和碳氧化物反应生成甲烷，有利于实现碳循环利用。涉及反应如下：

反应Ⅰ：CO(g)+3H₂(g) $\text{[math]}$ CH₄(g)+H₂O(g) $\text{[math]}$ H₁=-206.2kJ/mol

反应Ⅱ：CO(g)+H₂O(g) $\text{[math]}$ CO₂(g)+H₂(g) $\text{[math]}$ H₂

反应Ⅲ：CO₂(g)+4H₂(g) $\text{[math]}$ CH₄(g)+2H₂O(g) $\text{[math]}$ H₃=-165.0kJ/mol。

回答下列问题：

(1) $\text{[math]}$ H₂=。

(2) 已知反应Ⅱ的速率方程为v_正=k_正p(CO)·p(H₂O)，v_逆=k_逆·p(CO₂)·p(H₂)，其中k_正、k_逆分别为正、逆反应的速率常数。如图(lgk表示速率常数的对数)所示a、b、c、d四条斜线中，表示lgk_正随 $\text{[math]}$ 变化关系的是斜线(填字母标号)；表示lgk_逆随 $\text{[math]}$ 变化关系的是斜线(填字母标号)。

(3) 温度为T₂时，向某固定容积的容器中充入一定量的和1molCO，平衡时H₂和CO的转化率(a)及CH₄和CO₂的物质的量(n)随 $\text{[math]}$ 变化的情况如图所示(忽略其他副反应)。

①图中表示α(CO)、n(CH₄)变化的曲线分别是、(填标号)；m=；CH₄的选择性[ $\text{[math]}$ ×100%]=。

②已知温度为T₂时，起始向该固定容积的容器中充入1mol的CO和0.5mol的H₂进行上述反应，起始压强为1.5P₀ ，反应Ⅰ的K=(用P₀表示)。

③温度为T₁时， $\text{[math]}$ =1时，α(CO)可能对应图中X、Y、Z、W四点中的(填标号)。

【考点】

盖斯定律及其应用;

【答案】

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综合题困难

1. 甲酸是重要化工原料，在新能源领域应用潜力大，对环保和可持续发展也很重要。

(1) 根据以下信息，写出甲酸分解制氢的热化学方程式：。

已知： $\text{[math]}$ $\text{[math]}$

$\text{[math]}$ $\text{[math]}$

(2) 甲烷与 $\text{[math]}$ 定向转化制甲酸等物质的反应历程和能垒变化如图所示(部分自由基未画出)。有催化剂时，微粒吸附在催化剂表面进行反应。

①下列说法不正确的是。

A．甲烷定向制甲酸的反应是放热反应

B．该过程的决速步是甲烷产生自由基过程

C．从ⅰ→ⅱ的过程中，存在 $\text{[math]}$

D．微粒ⅱ和ⅲ是反应的中间体

②由 $\text{[math]}$ 生成 $\text{[math]}$ 的过程中， $\text{[math]}$ 产生自由基的过程可表示为。

(3) 利用甲酸钠脱除水体中的 $\text{[math]}$ ，反应的还原主产物是 $\text{[math]}$ ，存在中间产物 $\text{[math]}$ 和副产物 $\text{[math]}$ ，其他可能的还原产物不考虑。水体中 $\text{[math]}$ 初始浓度为 $\text{[math]}$ ，测得过程中 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ ( $\text{[math]}$ 元素的含量)随时间变化如图所示。 $\text{[math]}$ 时 $\text{[math]}$ 转化完全，检测不到 $\text{[math]}$ 。

① $\text{[math]}$ 中N原子的杂化方式是。

②从开始到转化完全时，反应速率 $\text{[math]}$ 为(保留3位有效数字，下同) $\text{[math]}$ ，氮的脱除效率( $\text{[math]}$ )可以达到。

(4) 已知 $\text{[math]}$ ， $\text{[math]}$ 。常温下， $\text{[math]}$ 的甲酸钠溶液中， $\text{[math]}$ (填“>”“<”或“=”) $\text{[math]}$ ，溶液 $\text{[math]}$ (写出此空的计算过程)。

综合题困难

2. “碳达峰·碳中和”是我国社会发展的重大战略。CH₄还原CO₂是实现“双碳”经济的有效途径之一，相关的主要反应有：

反应a： $\text{[math]}$

反应b： $\text{[math]}$

回答下列问题：

(1) 反应 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ kJ/mol，该反应正向自发的条件为(填“高温”或“低温”)自发。

(2) 在刚性密闭容器中，进料比 $\text{[math]}$ 分别等于1.0、1.5、2.0，且反应达到平衡状态，甲烷的质量分数随温度变化的关系如图下1所示，曲线x对应的 $\text{[math]}$ 。

(3) 恒压、750℃时，CH₄和CO₂按物质的量之比1：3投料，反应经如图2流程(主要产物已标出)可实现CO₂高效转化。

①下列说法错误的是(填标号)。

A．CaO与CO₂的反应可促进Fe₃O₄氧化CO的平衡右移

B．Fe₃O₄和CaO都可以循环利用

C．H₂在过程ii将Fe₃O₄还原为单质铁

D．过程ii产生的H₂O最终被CaO吸收了

②过程ⅱ平衡后通入He，CO的物质的量的变化是(填“升高”“降低”或“不变”)。

(4) CH₄还原能力(R)可衡量CO₂转化效率， $\text{[math]}$ (同一时段内CO₂与CH₄的物质的量变化量之比)。常压下CH₄和CO₂按物质的量之比1：3投料，发生反应a和b．某一时段内CH₄和CO₂的转化率和R值随温度的变化分别如图3和图4所示。

①结合图3分析图4，R随温度升高呈现先降低后升高趋势的原因是。

②催化剂X可提高R值，另一时段内CH₄转化率、R值随温度变化如下表：

温度/℃	480	500	520	550
CH₄转化率/%	7.9	11.5	20.2	34.8
R	2.6	2.4	2.1	1.8

下列说法正确的是(填标号)。

A．R值提高是由于催化剂X选择性地提高了反应a的速率

B．温度越低，含氢产物中H₂O占比越高

C．改变催化剂提高CH₄转化率，R值一定增大

综合题困难

3. 在航天服、航天器、空间站等密闭系统中， $\text{[math]}$ 浓度过大，会导致呼吸急促、头晕头痛、昏迷甚至死亡，以下是清除 $\text{[math]}$ 的两种方式，据此回答下列问题：

(1) “ $\text{[math]}$ 反应”实现了 $\text{[math]}$ 甲烷化，科技人员基于该反应设计如图过程完成空间站中 $\text{[math]}$ 与 $\text{[math]}$ 的循环，从而实现 $\text{[math]}$ 的再生。

①在特定温度下，由稳定态单质生成 $\text{[math]}$ 化合物的焓变叫做该物质在此温度下的标准摩尔生成焓。表中为几种物质在 $\text{[math]}$ 的标准生成焓。

物质	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$
标准摩尔生成焓 $\text{[math]}$	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$	0

则 $\text{[math]}$ 反应 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 。

②有利于提高 $\text{[math]}$ 反应的转化率的措施有、。

③一定条件下， $\text{[math]}$ 分解形成碳的反应历程如图所示，决速步骤的反应方程式为。

(2) 航天员呼吸产生的 $\text{[math]}$ 还可以利用 $\text{[math]}$ 反应： $\text{[math]}$ 代替 $\text{[math]}$ 反应。在一容积可变的密闭容器中充入 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ ，容积的初始体积为 $\text{[math]}$ ， $\text{[math]}$ 的平衡转化率 $\text{[math]}$ 与温度 $\text{[math]}$ 压强 $\text{[math]}$ 的关系如图所示：

①压强 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ (填“>”“<”或“=”)。

②温度 $\text{[math]}$ 下，该反应的平衡常数 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 。该反应在A、B、C三点条件下的平衡常数 $\text{[math]}$ 的大小关系为：。

综合题普通

实验编号	反应物组成
a	$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 粉末 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$
b	$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 粉 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$
c	$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 粉 $\text{[math]}$ 饱和石灰水
d	$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 粉 $\text{[math]}$ 石灰乳
e	$\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 粉 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 粉末 $\text{[math]}$ $\text{[math]}$

温度/ $\text{[math]}$	950	1000	1050	1100	1150
$\text{[math]}$	0.5	1.5	3.6	5.5	8.5
$\text{[math]}$	0.0	0.0	0.1	0.4	1.8