Question

【題目】Ⅰ.利用甲烷催化還原NOx消除氮氧化物的污染

①CH4(g)＋4NO2(g) 4NO(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH1＝－574 kJ·mol－1

②CH4(g)＋4NO(g) 2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH2＝－1 160 kJ·mol－1

③CH4(g)＋2NO2(g) N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH3＝－867 kJ·mol－1

（1）如果三個反應的平衡常數依次為K1、K2、K3，則K3＝________(用K1、K2表示)。

（2）在2L恒容密閉容器中充入1 mol CH4和2 mol NO2進行反應③，CH4的平衡轉化率α(CH4)與溫度和壓強的關系如圖所示。

①若容器中的壓強為p2，y點：v正________(填“大于”“等于”或“小于”)v逆。

②x點對應溫度下反應的平衡常數K＝________。

Ⅱ.甲烷蒸氣轉化法制H2的主要反應為：CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g)

（3）在恒容密閉容器中充入2 mol CH4和H2O(g)的混合氣體，且CH4和H2O(g)的物質的量之比為x，相同溫度下達到平衡時測得H2的體積分數φ(H2)與x的關系如圖所示。

則CH4的轉化率：a點________(填“>”“＝”或“<”，下同)b點，CH4(g)的濃度：a點________b點，氫氣的產率：a點________b點。

Answer 1

【答案】 大于 0.25 > ＝ ＝

【解析】

Ⅰ.（1）分別寫出K1、K2、K3的表達式，可以求出K3與K1、K2的關系；

（2）①y點在p2對應曲線下方，要達到平衡狀態，需使甲烷的轉化率增大，反應正向進行；

②結合題圖1，根據三段式可以求出該溫度下反應的平衡常數K；

Ⅱ.（3）x越大，加入的甲烷的量越多，因此甲烷的轉化率越低；結合題給圖像根據三段式進行分析判斷；

Ⅰ.（1）K1=[c2（H2O）c（CO2）c4（NO）]/[c（CH4）c4（NO2）]，K2=[c2（H2O）c（CO2）c2（N2）]/[c（CH4）c4（NO）]，K3=[c2（H2O）c（CO2）c（N2）]/[c（CH4）c2（NO2）]；所以K32= K1 K2，所以K3＝；

答案是：；

（2）①y點在p2對應曲線下方，要達到平衡狀態，需使甲烷的轉化率增大，則y點：v正大于v逆；

答案是：大于；

②由題圖1可知，x點甲烷的平衡轉化率是50%，則有：

CH4(g)＋2NO2(g) N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)

起始/(mol·L－1)0.5 1 0 0 0

轉化/(mol·L－1)0.25 0.5 0.25 0.25 0.5

平衡/(mol·L－1)0.25 0.5 0.25 0.25 0.5

因此該溫度下反應的平衡常數K＝＝0.25；

答案是：0.25；

Ⅱ.（3）x越大，加入的甲烷的量越多，因此甲烷的轉化率越低，故a點甲烷的轉化率大于b點甲烷的轉化率；當CH4和H2O(g)的物質的量之比的比值為9/11時，則起始時，甲烷的物質的量為0.9 mol，H2O(g)的物質的量為1.1 mol，反應達到平衡時，設CH4轉化了n mol，則有：

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始/(mol) 0.9 1.1 0 0

轉化/(mol) n n n 3n

平衡/(mol) 0.9－n 1.1－n n 3n

此時氫氣的體積分數為3n/(2＋2n)，當CH4和H2O(g)的物質的量之比的比值為11/9時，起始時，甲烷的物質的量為1.1 mol，H2O(g)的物質的量為0.9 mol，反應達到平衡時，設CH4轉化了y mol，則有：

CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g)

起始/(mol) 1.1 0.9 0 0

轉化/(mol) y y y 3y

衡/(mol) 1.1－y 0.9－y y 3y

此時氫氣的體積分數為3y/(2＋2y)，由題圖2可知，a點和b點的氫氣的體積分數相等，故n＝y，a點甲烷的濃度等于b點水蒸氣的濃度；兩點的氫氣產率相等；

故答案是：>； ＝；＝。