Question

【題目】隨著石油資源的日益枯竭，天然氣的廾發利用越來越受到重視。CH4/CO2催化重整制備合成氣(CO和H2)是溫室氣體CO2和CH4資源化利用的重要途徑之一，并受了國內外研究人員的高度重視。回答下列問題：

（1）已知：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ·mol－1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=－41.2 kJ·mol－1

CH4/CO2催化重整反應為CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H

該催化重整反應的△H=______kJ·mol－1。要縮短該反應達到平衡的時間并提高H2的產率可采取的措施為_____。

（2）向2L剛性密閉容器中充入2molCH4和2mol CO2進行催化重整反應，不同溫度下平衡體系中CH4和CO的體積分數()隨溫度變化如下表所示。

已知b>a>c，則T1______T2(填“>”“<”或“=”)。T1下該反應的平衡常數K=_______(mol2·L－2)

（3）實驗硏究表明，載體對催化劑性能起著極為重要的作用，在壓強0.03MPa，溫度750℃條件下，載體對鎳基催化劑性能的影響相關數據如下表：

由上表判斷，應選擇載體為_______(填化學式)，理由是________。

（4）現有溫度相同的I、Ⅱ、Ⅲ三個恒壓密閉容器，均充入2mol CH4(g)和2 molCO2(g)進行反應，三個容器的反應壓強分別為p1atm、p2atm、p3atm，在其他條件相同的情況下，反應均進行到tmin時，CO2的體積分數如圖所示，此時I、Ⅱ、Ⅲ個容器中一定處于化學平衡狀態的是_______。

（5）利用合成氣為原料合成甲醇，其反應為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在一定溫度下查得該反應的相關數據如下表所示：

該反應速率的通式為ν正=k正cm(CO)·cn(H2)(k正是與溫度有關的速率常數)。由表中數據可確定反應速率的通式中n=____(取正整數)。若該溫度下平衡時組別1的產率為25%，則組別1平衡時的v正=______(保留1位小數)。

Answer 1

【答案】+247.1 升高溫度 ＜ MgO 此條件下合成氣產率高 III 1 0.2mol/（L·min）

【解析】

（1）依據蓋斯定律作答；

（2）CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)反應吸熱，依據外因對化學反應速率與化學平衡的綜合影響來分析；結合表格數據，依據升高溫度對物質體積分數的影響效果判斷溫度高低，再利用甲烷與CO的平衡體積分數相等計算出轉化的甲烷的物質的量，列出三段式，根據平衡常數的表達式計算解答；

（3）依據表格數據，選擇合成CO和氫氣量最多的物質作為載體；

（4）根據溫度和壓強對平衡的影響，結合平衡狀態的特征回答；

（5）結合表格中三組數值，列出三個方程，解方程組即可求出n的值；再列出三段式，分別求出c(CO)與c(H2)的值，帶入通式求得v正。

（1）①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ·mol－1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=－41.2 kJ·mol－1

①-②可得到CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，則根據蓋斯定律可知△H=+205.9 kJ·mol－1-(－41.2 kJ·mol－1)= +247.1 kJ·mol－1，因此該反應為吸熱反應，要縮短該反應達到平衡的時間并提高H2的產率可采取的措施為升高溫度，

故答案為：+247.1；升高溫度；

（2）同一個物質在不同的溫度下所占的體積分數不同，因CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+247.1 kJ·mol－1，該反應為吸熱反應，則升高溫度則有利用平衡向正反應方向移動，導致CH4的體積分數降低，CO的體積分數升高。已知b>a>c，根據圖表信息可知，T1＜T2；T1下該反應的CH4與CO的體積分數均為a，則設CH4轉化濃度為x mol/L，

則根據T1下該反應的CH4與CO的體積分數均為a易知，，解得x=，所以平衡常數，

故答案為：＜；；

（3）從表中可以看出，MgO的原料轉化率較高，且合成氣的產率較高，所以選擇MgO作為載體，

故答案為：MgO；此條件下合成氣產率高；

（4）由于不能確定容器Ⅱ中二氧化碳的體積分數是否達到最小值，因此不能確定Ⅱ是否達到平衡狀態，若未達平衡，壓強越高反應逆向移動，相同時間內二氧化碳的含量越高，p3時，二氧化碳Ⅲ的含量比Ⅱ高，故Ⅲ到達平衡，

故答案為：III；

（5）組別1中c(CO)=0.24mol/L，c(H2) =0.48 mol/L，初始速率v正=0.361 mol/（L·min）；則依據ν正=k正cm(CO)·cn(H2)可知，①0.361 mol/（L·min）=k正×(0.24 mol/L)m×(0.48 mol/L)n；同理，根據表格數據可得②0.720 mol/（L·min）=k正×(0.24 mol/L)m×(0.96 mol/L)n；③0.719 mol/（L·min）=k正×(0.48 mol/L)m×(0.48 mol/L)n；則②/①可得2=2n，即n=1；③/①得2=2m，則m=1；帶入①得k正=3.134 L /min·mol。若該溫度下平衡CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，組別1的產率為25%，設轉化的CH4的物質的量濃度為y mol/L，則

則，則y=0.12，則c(CO)=2y=0.24mol/L，c(H2) =2y=0.24 mol/L，k正是與溫度有關的速率常數，保持不變，則依據給定公式可得ν正=k正c(CO)·c(H2)= 3.134 L /min·mol×0.24mol/L×0.24mol/L=0.1800.2 mol/（L·min），

故答案為：1；0.2mol/（L·min）。