Question

【题目】已知甲烷隔绝空气在不同温度下有可能发生如下两个裂解反应：

①CH4(g)C(s)+2H2(g)，②2CH4(g)C2H2(g)+3H2(g)。

某同学为了得到用天然气制取炭黑的允许温度范围和最佳温度，在图书馆查到如下热力学数据：

①反应的ΔH(298 K)=+74.848 kJ/mol，ΔS(298 K)=+80.674 J/(mol·K)

②反应的ΔH(298 K)=+376.426 kJ/mol，ΔS(298 K)=+220.211 J/(mol·K)

已知焓变和熵变随温度变化很小。请帮助这位同学考虑如下问题：

（1）反应①属于 (填“高温”或“低温”)自发反应。

（2）判断反应①自发进行是由 (填“焓变”或“熵变”)决定的。

（3）通过计算判断反应①在常温下能否自发进行。_________________________________。

（4）求算制取炭黑的允许温度范围：_______________________________。

（5）为了提高甲烷的炭化程度，你认为下面四个温度中最合适的是 (填字母)。

A．905.2 K B．927 K C．1 273 K D．2 000 K

Answer 1

【答案】（1）高温 （2）熵变

（3）ΔH-TΔS=74.848 kJ/mol-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×298 K≈50.807 kJ/mol>0，所以反应①在常温下不能自发进行

（4）927.8~1 709.4 K （5）C

【解析】（1）由于用天然气制取炭黑的反应是一个吸热、熵增的反应，只有在高温下才会有ΔH-TΔS<0，反应正向自发进行，所以反应①在高温时能自发进行。（2）因为反应①吸热，不利于反应的自发进行；而熵增有利于反应的自发进行，所以反应①能否自发进行由熵变决定。（3）ΔH-TΔS=74.848 kJ/mol-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×298 K≈50.807 kJ/mol>0，所以反应①在常温下不能自发进行。（4）天然气裂解为炭黑时，ΔH-TΔS=74.848 kJ/mol-80.674×10-3 kJ/(mol·K)×T<0，得T>927.8 K，即天然气裂解为炭黑的最低温度为927.8 K。天然气裂解为乙炔时，ΔH-TΔS=376.426 kJ/mol-220.211×10-3 kJ/(mol·K)×T<0，得T>1 709.4 K，即温度高于1 709.4 K时天然气会自发裂解为乙炔和氢气。所以要制取炭黑，温度需控制在927.8~1 709.4 K之间。（5）根据（4）中计算出的温度范围，可知C项符合题意。