《2025年红对勾高考一轮复习金卷化学》

18. (2024·安徽蚌埠模拟)能源的合理开发和利用、低碳减排是人类正在努力解决的大问题。
(1)在固相催化剂作用下CO₂加氢合成甲烷过程中发生以下两个反应：
主反应：CO₂(g) + 4H₂(g)═CH₄(g) + 2H₂O(g)　ΔH₁ = -156.9 kJ·mol⁻¹
副反应：CO₂(g) + H₂(g)═CO(g) + H₂O(g)　ΔH₂ = +41.1 kJ·mol⁻¹
工业合成甲烷通常控制温度为500 ℃左右，其主要原因为______________________________。
(2)向密闭容器中充入一定量的CH₄(g)和NO(g)，保持总压为100 kPa发生反应：CH₄(g) + 4NO(g)⇌2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)　ΔH＜0。当$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$ = 1时NO的平衡转化率～$\frac{1}{T}$、T₃ K下NO的平衡转化率～$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$的关系分别如图所示。

①能表示此反应已经达到平衡的是________(填字母)。
A. 气体总体积保持不变
B. 混合气体的平均相对分子质量保持不变
C. $\frac{n(NO)}{n(N₂)}$不再变化
②表示T₃ K时NO的平衡转化率～$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$的关系曲线是________(填“Ⅰ”或“Ⅱ”)，T₁________(填“＞”或“＜”)T₂。
③在$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$ = 1、T₂ K时，CH₄的平衡分压为________。

答案：
(1)温度低于500 ℃，反应速率小；温度高于500 ℃，对副反应影响较大，化学平衡向生成CO的方向移动的程度增大，不利于甲烷的生成
(2)①C ②Ⅱ ＞ ③45 kPa
解析：
(2)①该反应前后气体计量数不变，故气体体积也始终不变，混合气体的平均相对分子质量保持不变，不能证明反应达到平衡，A、B不符合题意；随着反应的进行，一氧化氮的量减少，氮气的量增大，则$\frac{n(NO)}{n(N₂)}$一直在变化，故$\frac{n(NO)}{n(N₂)}$不再变化可以证明反应达到平衡，C符合题意。②由反应CH₄(g) + 4NO(g)$\rightleftharpoons$2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)可知，随着$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$增大，即增大NO的投入量，平衡正向移动，CH₄的转化率增大，而NO的转化率减小，由图示信息可知，曲线Ⅱ表示T₃ K时NO的平衡转化率与$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$的关系。升高温度平衡逆向移动，则NO的平衡转化率减小，由图中曲线Ⅰ表示$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$ = 1时NO的平衡转化率与$\frac{1}{T}$的关系，可知T越大即$\frac{1}{T}$越小，NO的平衡转化率越小，故T₁＞T₂。③由图示信息可知，在$\frac{n(NO)}{n(CH₄)}$ = 1、T₂ K下，NO的平衡转化率为40%，列出三段式：
CH₄(g) + 4NO(g)$\rightleftharpoons$2N₂(g) + CO₂(g) + 2H₂O(g)
起始n/mol a a 0 0 0
转化n/mol 0.1a 0.4a 0.2a 0.1a 0.2a
平衡n/mol 0.9a 0.6a 0.2a 0.1a 0.2a
则此时CH₄的平衡分压p(CH₄) = $\frac{0.9a}{2a}$×100 kPa = 45 kPa。