Question

【題目】合成氣(CO+H2)可利用甲烷與水蒸氣重整反應制得。

(1)已知：①H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H1=-242kJmol-1

②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g) △H2=-576kJmol-1

③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H3=-802.6KJmo1-1

則甲烷和水蒸氣重整反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)△H4=____。該反應的活化能E1=240.1kJmol-1，則逆反應的活化能E2=____。

(2)重整反應中CH4的平衡轉化率與溫度、壓強關系[其中n(CH4)：n(H2O)=1：1]如圖1所示。

①圖中A點的平衡常數KP=___(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數)，比較A、B、C三點的平衡常數Kp(A)、KP(B)、KP(C)由大到小的順序為___。

②圖中壓強P1、P2、P3由大到小的順序為___，理由是____。

(3)在恒容密閉容器中充入2mol的CH4和H2O(曲混合氣體，且CH4和H2O(g)的物質的量之比為x，相同溫度下測得H2平衡產率與x的關系如圖2所示。請比較a、b兩點CH4的轉化率a點___b點(填“＞”、“＜”、“=”下同)，a點c(CH4)___b點c[H2O(g)]。當x=1時，下列敘述正確的是____(填序號)。

A．平衡常數K最大 B．CH4的轉化率最大

C．氫氣的產率最大 D．合成氣的濃度最大

Answer 1

【答案】+211.4kJmol-1 28.7kJmol-1 Kp（C）＞Kp（B）＞Kp（A） P3＞P2＞P1 其他條件不變時，壓強增大，平衡左移，甲烷的轉化率減小 ＞ = CD

【解析】

(1)根據蓋斯定律計算；正反應為吸熱反應，正反應活化能等于逆反應活化能與反應熱之和；
(2)用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數，平衡常數Kp等于生成物分壓冪之積與反應物分壓冪之積比值；
反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)為放熱反應，溫度越高，平衡常數越大；
②CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)是氣體體積增大的反應，由圖知溫度不變時壓強P1、P2、P3下甲烷轉化率逐漸減小；
(3)兩種反應物存在，增加其中一種反應物的量，能使另一種反應物的轉化率提高。

(1)(1)已知：①H2(g)+O2(g)=H2O(g)△H1=-242kJmol-1

②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)△H2=-576kJmol-1

③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)△H3=-802.6KJmo1-1

由③-①×3-②×得CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)△H4=△H3-△H1×3-△H2×=+211.4kJmol-1。

正反應活化能等于逆反應活化能與反應熱之和，逆反應的活化能E2=E1-△H4=240.1kJmol-1-211.4kJmol-1=28.7kJmol-1，故答案為：+211.4kJmol-1；28.7kJmol-1；

(2)①假設甲烷有1mol，水蒸氣有1mol，則

平衡后混合氣體的總量：(0.8+0.8+0.2+0.6)mol=2.4mol，P(CH4)=P(H2O)=×4.0MPa=Mpa，P(CO)=×4.0MPa=Mpa，P(H2)=×4.0MPa=1Mpa，A點的平衡常數Kp=；

反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)為放熱反應，溫度升高，平衡右移，平衡常數增大，由圖知，ABC三點溫度依次升高，故平衡常數大小關系為Kp(C)＞Kp(B)＞Kp(A)，

故答案為：；Kp(C)＞Kp(B)＞Kp(A)；

②CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)是氣體體積增大的反應，增大壓強，平衡左移，甲烷轉化率減小，由圖知溫度不變時壓強P1、P2、P3下甲烷轉化率逐漸減小，所以壓強P1、P2、P3由大到小的順序為P3＞P2＞P1，故答案為：P3＞P2＞P1；其他條件不變時，壓強增大，平衡左移，甲烷的轉化率減小；

(3)兩種反應物存在，增加其中一種反應物的量，能使另一種反應物的轉化率提高，a點H2O的含量相對較大，所以a點CH4的轉化率更高；根據反應方程式分析，CH4和H2O是按照1：1反應的，a點CH4和2O的物質的量之比為9：11，b點CH4和H2O的物質的量之比為11：9，所以二者平衡時a點CH4的濃度等于b點H2O(g)的濃度；

A．平衡常數K只與溫度有關，溫度不變，K不變，故A錯誤；

B．H2O(g)濃度越大，X越小，CH4的轉化率越大，故C錯誤；

C．由圖知當x=1時，氫氣的產率最大，故C正確；

D．當x=1時，合成氣的濃度最大，故D正確。故答案為：＞；=；CD。