Question

【題目】CH4-CO2催化重整不僅可以得到合成氣(CO和H2)，還對(duì)溫室氣體的減排具有重要意義。

已知：CH4(g)+O2(g)＝CO2(g)+2H2(g)ΔH=-319kJ·mol1

CO(g)+1/2O2(g)=CO2(g)ΔH=-283kJ·mol1

回答下列問(wèn)題：

(1)寫出CH4-CO2催化重整反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：_______________________________。

(2)某溫度下，向密閉容器中充入CH4與CO2，發(fā)生CH4-CO2催化重整反應(yīng)。測(cè)得平衡混合物中CO(g)的體積分?jǐn)?shù)[φ(CO)]與起始投料比Z[Z=n(CH4)/n(CO2)]的關(guān)系如圖所示；

①當(dāng)Z=2時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率ɑ=__________%。

②當(dāng)Z=3時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，CO的體積分?jǐn)?shù)可能是圖1中的_________點(diǎn)(填“C”、“D”或“E”)。

(3)若CO2的平衡轉(zhuǎn)化率(a)與溫度(T)、壓強(qiáng)(p)的關(guān)系如圖所示。

①由圖可知壓強(qiáng)p1__________p2(選填“>”、“<“或“=”)；

②在溫度為T5℃，壓強(qiáng)為P1條件下，向2L密閉容器中充入1molCH4與1molCO2發(fā)生CH4-CO2催化重整反應(yīng)，則此條件下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為：_____________________；達(dá)平衡后若再充入1.5molCH4、1.5molCO2、1molCO、1molH2，則此時(shí)v正_______v逆(選填“>”、“<“或“=”)；在該條件下，以下能說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡的是________________。

A．CH4與CO2的物質(zhì)的量比為1：1

B．氫氣的體積分?jǐn)?shù)不變

C．混合氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變

D．當(dāng)消耗1mol的CO2同時(shí)，有2mol的CO生成

Answer 1

【答案】CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H＝+247 kJ·mol1 37.5 E < 1 = BC

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律計(jì)算；

(2) ①列出三行式，找出各量，利用已知條件，列方程求解；

②反應(yīng)物按方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)比投料時(shí)產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)最大。

(3)①其他條件相同時(shí)，壓強(qiáng)越大CO2的平衡轉(zhuǎn)化率(a)越��；

②列出三行式，依據(jù)三行式計(jì)算比較；可逆反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等，各組分濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說(shuō)明達(dá)到平衡。

(1)已知①CH4(g) +O2(g)＝CO2(g) +2H2(g)ΔH=-319 kJ·mol1

②CO(g) +1/2O2(g) = CO2(g)ΔH=-283 kJ·mol1

根據(jù)蓋斯定律可知①-②2即得到催化重整反應(yīng)：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) 的△H＝（-319 kJ·mol1）-（-283 kJ·mol1 ）2=+247 kJ·mol1 ；

故答案為：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H＝+247 kJ·mol1；

(2)①n(CH4 )/n(CO2 )=2，若設(shè)n(CH4)=2amol，則n(CO2)=amol，轉(zhuǎn)化的CO2的物質(zhì)的量為xmol，

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始（mol） 2a a 0 0

轉(zhuǎn)化（mol） x x 2x 2x

平衡（mol）2a-x a-x 2x 2x

由圖可知，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，CO的體積分?jǐn)?shù)為20%，則100%=20%，解得x=，

則CO2的平衡轉(zhuǎn)化率ɑ=100%=37.5%；

②反應(yīng)物按方程式中各物質(zhì)的化學(xué)計(jì)量數(shù)比投料時(shí)產(chǎn)物的體積分?jǐn)?shù)最大，否則都會(huì)使體積分?jǐn)?shù)減小，故應(yīng)選E點(diǎn)；

故答案為：37.5 ；E；

(3)①在相同溫度下，增大壓強(qiáng)，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率(a)降低，由圖可知，壓強(qiáng)p1 < p2；

②在溫度為T5℃，壓強(qiáng)為P1條件下，由圖可知，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率(a)為0.5，則，

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始（mol） 1 1 0 0

轉(zhuǎn)化（mol） 0.5 0.5 1 1

平衡（mol） 0.5 0.5 1 1

CH4、CO2、 CO、H2平衡時(shí)的濃度分別為：0.25mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、0.5mol/L，

則此條件下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為K===1；

達(dá)平衡后若再充入1.5mol CH4 、1.5mol CO2、 1mol CO、1mol H2，

此時(shí)CH4、CO2、 CO、H2的濃度分別為：1mol/L、1mol/L、1mol/L、1mol/L，

濃度商Qc===1=K，說(shuō)明處于平衡狀態(tài)，則此時(shí)v正 =v逆；

A．CH4與CO2的起始量和轉(zhuǎn)化量的物質(zhì)的量比均為1：1，所以比值始終不變，不能說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡，故不選A；

B．氫氣的體積分?jǐn)?shù)不變，則各物質(zhì)的含量都保持不變，能說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡，故選B；

C．該反應(yīng)前后混合氣體的總質(zhì)量不變，物質(zhì)的量發(fā)生改變，根據(jù)M=，若混合氣體的平均摩爾質(zhì)量保持不變，則能說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡，故選C；

D．由方程式可知，當(dāng)消耗1mol的CO2時(shí)，必然生成2mol的CO，不能說(shuō)明該反應(yīng)已達(dá)平衡，故不選D；故選BC。

故答案為：< ；1；= ；BC。