题目
“碳达峰•碳中和”是我国社会发展重大战略之一，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：Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）⇌2CO（g）+2H2（g）ΔH1=+247kJ•mol-1，K1Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41kJ•mol-1，K2请回答：（1）有利于提高CO2平衡转化率的条件是 ____ 。A.低温低压B.低温高压C.高温低压D.高温高压（2）反应CH4（g）+3CO2（g）⇌4CO（g）+2H2O（g）的ΔH= ____ kJ•mol-1，K= ____ （用K1，K2表示）。（3）恒压、750℃时，CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，反应经如图流程（主要产物已标出）可实现CO2高效转化。(H)_(4)+C(O)_(2) (O)_(3) He-|||-Fe-|||-i ii ii-|||-CaO +(H)_(e)-|||-+(H)_(2) +C(O)_(2) Fe3O4 H2O①下列说法正确的是 ____ 。A.Fe3O4可循环利用，CaO不可循环利用B.过程ii，CaO吸收CO2可促使Fe3O4氧化CO的平衡正移C.过程ii产生的H2O最终未被CaO吸收，在过程ii被排出D.相比于反应Ⅰ，该流程的总反应还原1molCO2需吸收的能量更多②过程ii平衡后通入He，测得一段时间内CO物质的量上升，根据过程iii，结合平衡移动原理，解释CO物质的量上升的原因 ____ 。（4）CH4还原能力（R）可衡量CO2转化效率，R=(Δn（CO_(2)）)/(Δn（CH_(4)）)（同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比）。①常压下CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1，请在图2中画出400～1000℃之间R的变化趋势，并标明1000℃时R值。(H)_(4)+C(O)_(2) (O)_(3) He-|||-Fe-|||-i ii ii-|||-CaO +(H)_(e)-|||-+(H)_(2) +C(O)_(2) Fe3O4 H2O②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 下列说法不正确的是 ____ 。A.R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率B.温度越低，含氢产物中H2O占比越高C.温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率降低，R值减小D.改变催化剂提高CH4转化率，R值不一定增大
“碳达峰•碳中和”是我国社会发展重大战略之一，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：
Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）⇌2CO（g）+2H2（g）ΔH1=+247kJ•mol-1，K1
Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41kJ•mol-1，K2
请回答：
（1）有利于提高CO2平衡转化率的条件是 ____ 。
A.低温低压
B.低温高压
C.高温低压
D.高温高压
（2）反应CH4（g）+3CO2（g）⇌4CO（g）+2H2O（g）的ΔH= ____ kJ•mol-1，K= ____ （用K1，K2表示）。
（3）恒压、750℃时，CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，反应经如图流程（主要产物已标出）可实现CO2高效转化。
①下列说法正确的是 ____ 。
A.Fe3O4可循环利用，CaO不可循环利用
B.过程ii，CaO吸收CO2可促使Fe3O4氧化CO的平衡正移
C.过程ii产生的H2O最终未被CaO吸收，在过程ii被排出
D.相比于反应Ⅰ，该流程的总反应还原1molCO2需吸收的能量更多
②过程ii平衡后通入He，测得一段时间内CO物质的量上升，根据过程iii，结合平衡移动原理，解释CO物质的量上升的原因 ____ 。
（4）CH4还原能力（R）可衡量CO2转化效率，R=$\frac{Δn（CO_{2}）}{Δn（CH_{4}）}$（同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比）。
①常压下CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1，请在图2中画出400～1000℃之间R的变化趋势，并标明1000℃时R值。
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：
下列说法不正确的是 ____ 。
A.R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率
B.温度越低，含氢产物中H2O占比越高
C.温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率降低，R值减小
D.改变催化剂提高CH4转化率，R值不一定增大
Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）⇌2CO（g）+2H2（g）ΔH1=+247kJ•mol-1，K1
Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41kJ•mol-1，K2
请回答：
（1）有利于提高CO2平衡转化率的条件是 ____ 。
A.低温低压
B.低温高压
C.高温低压
D.高温高压
（2）反应CH4（g）+3CO2（g）⇌4CO（g）+2H2O（g）的ΔH= ____ kJ•mol-1，K= ____ （用K1，K2表示）。
（3）恒压、750℃时，CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，反应经如图流程（主要产物已标出）可实现CO2高效转化。
①下列说法正确的是 ____ 。
A.Fe3O4可循环利用，CaO不可循环利用
B.过程ii，CaO吸收CO2可促使Fe3O4氧化CO的平衡正移
C.过程ii产生的H2O最终未被CaO吸收，在过程ii被排出
D.相比于反应Ⅰ，该流程的总反应还原1molCO2需吸收的能量更多
②过程ii平衡后通入He，测得一段时间内CO物质的量上升，根据过程iii，结合平衡移动原理，解释CO物质的量上升的原因 ____ 。
（4）CH4还原能力（R）可衡量CO2转化效率，R=$\frac{Δn（CO_{2}）}{Δn（CH_{4}）}$（同一时段内CO2与CH4的物质的量变化量之比）。
①常压下CH4和CO2按物质的量之比1：3投料，某一时段内CH4和CO2的转化率随温度变化如图1，请在图2中画出400～1000℃之间R的变化趋势，并标明1000℃时R值。
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 |
A.R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率
B.温度越低，含氢产物中H2O占比越高
C.温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率降低，R值减小
D.改变催化剂提高CH4转化率，R值不一定增大
题目解答
答案
解：（1）反应Ⅰ是一个反应前后气体条件增大的吸热反应、反应Ⅱ是一个反应前后气体体积不变的吸热反应，升高温度、减小压强有利于反应Ⅰ平衡正向移动，所以要提高CO2的转化率，应该选取高温、低压条件，
故答案为：C；
（2）Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）⇌2CO（g）+2H2（g）ΔH1=+247kJ•mol-1，K1=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（C{O}_{2}）}$；Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41kJ•mol-1，K2=$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}$；将反应Ⅰ+2Ⅱ得反应CH4（g）+3CO2（g）⇌4CO（g）+2H2O（g）ΔH=△H1+2△H2=[（+247）+2×（+41）]kJ/mol=+329kJ/mol，K=$\frac{{c}^{4}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）•{c}^{3}（C{O}_{2}）}$=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（C{O}_{2}）}$×（$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}$）2=K1•K22，
故答案为：+329；K1•K22；
（3）①A．根据图知，Fe3O4、CaO在过程ii中作反应物、过程iii中作生成物，所以CaO、Fe3O4可循环利用，故A错误；
B．过程ii，CO2和CaO反应生成CaCO3，导致c（CO2）降低，可促使Fe3O4氧化CO的平衡正移，故B正确；
C．过程ii中CaO吸收CO2而产生的H2O最终未被CaO吸收，所以H2O在过程ii被排出，故C正确；
D．焓变只与反应物和生成物的总能量差有关，与反应过程无关，所以相比于反应Ⅰ，该流程的总反应还原1molCO2需吸收的能量一样多，故D错误；
故答案为：BC；
②通入He，恒压条件下，CaCO3分解压强减小，CaCO3分解平衡正移，导致$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$增大，促进Fe还原CO2平衡正移，CO物质的量上升，
故答案为：通入He，CaCO3分解平衡正移，导致$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$增大，促进Fe还原CO2平衡正移；
（4）①根据图1知，1000℃时CH4的转化率为100%，则△n（CH4）=1mol，CO2的转化率为60%，△n（CO2）=3mol×60%=1.8mol，R=$\frac{Δn（CO_{2}）}{Δn（CH_{4}）}$=$\frac{1.8mol}{1mol}$=1.8，所以400～1000℃之间R的变化趋势如图
，
故答案为：；
②A．R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率，使单位时间内反应Ⅱ中CO2的转化率增大，△n（CO2）增大的倍数大于△n（CH4）增大的倍数，所以R提高，故A正确；
B．根据表知，温度越低，CH4的转化率越低，R越大，△n（CO2）增大的倍数比△n（CH4）大，根据氢原子守恒知，含氢产物中H2O占比越高，故B正确；
C．两个反应都是吸热反应，温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率增大，两个反应中CO2转化率都增大，增大倍数多，则R值增大，故C错误；
D．改变催化剂使反应有选择性按反应Ⅰ而提高CH4转化率，如果CO2转化率减小，R值不一定增大，故D正确；
故答案为：C。
故答案为：C；
（2）Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）⇌2CO（g）+2H2（g）ΔH1=+247kJ•mol-1，K1=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（C{O}_{2}）}$；Ⅱ：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）ΔH2=+41kJ•mol-1，K2=$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}$；将反应Ⅰ+2Ⅱ得反应CH4（g）+3CO2（g）⇌4CO（g）+2H2O（g）ΔH=△H1+2△H2=[（+247）+2×（+41）]kJ/mol=+329kJ/mol，K=$\frac{{c}^{4}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}O）}{c（C{H}_{4}）•{c}^{3}（C{O}_{2}）}$=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（C{O}_{2}）}$×（$\frac{c（CO）•c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）•c（{H}_{2}）}$）2=K1•K22，
故答案为：+329；K1•K22；
（3）①A．根据图知，Fe3O4、CaO在过程ii中作反应物、过程iii中作生成物，所以CaO、Fe3O4可循环利用，故A错误；
B．过程ii，CO2和CaO反应生成CaCO3，导致c（CO2）降低，可促使Fe3O4氧化CO的平衡正移，故B正确；
C．过程ii中CaO吸收CO2而产生的H2O最终未被CaO吸收，所以H2O在过程ii被排出，故C正确；
D．焓变只与反应物和生成物的总能量差有关，与反应过程无关，所以相比于反应Ⅰ，该流程的总反应还原1molCO2需吸收的能量一样多，故D错误；
故答案为：BC；
②通入He，恒压条件下，CaCO3分解压强减小，CaCO3分解平衡正移，导致$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$增大，促进Fe还原CO2平衡正移，CO物质的量上升，
故答案为：通入He，CaCO3分解平衡正移，导致$\frac{c（C{O}_{2}）}{c（CO）}$增大，促进Fe还原CO2平衡正移；
（4）①根据图1知，1000℃时CH4的转化率为100%，则△n（CH4）=1mol，CO2的转化率为60%，△n（CO2）=3mol×60%=1.8mol，R=$\frac{Δn（CO_{2}）}{Δn（CH_{4}）}$=$\frac{1.8mol}{1mol}$=1.8，所以400～1000℃之间R的变化趋势如图
，故答案为：
；②A．R值提高是由于催化剂X选择性地提高反应Ⅱ的速率，使单位时间内反应Ⅱ中CO2的转化率增大，△n（CO2）增大的倍数大于△n（CH4）增大的倍数，所以R提高，故A正确；
B．根据表知，温度越低，CH4的转化率越低，R越大，△n（CO2）增大的倍数比△n（CH4）大，根据氢原子守恒知，含氢产物中H2O占比越高，故B正确；
C．两个反应都是吸热反应，温度升高，CH4转化率增加，CO2转化率增大，两个反应中CO2转化率都增大，增大倍数多，则R值增大，故C错误；
D．改变催化剂使反应有选择性按反应Ⅰ而提高CH4转化率，如果CO2转化率减小，R值不一定增大，故D正确；
故答案为：C。