Question

【題目】CO和H2在工業(yè)上常作為重要的化工原料，其混合氣稱為合成氣。工業(yè)上CH4—H2O 催化重整是目前大規(guī)模制取合成氣的重要方法，其原理為：

反應(yīng)Ⅰ：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol

反應(yīng)Ⅱ：CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2 =﹣41kJ/mol

（1）CH4(g)、H2O(g)反應(yīng)生成 CO2(g)、H2(g)的熱化學(xué)方程式是 ___________________________。

（2）反應(yīng)Ⅰ達(dá)到平衡的標(biāo)志是（____________）

a.恒溫恒容情況下，壓強(qiáng)不再改變 b. v(CO):v(H2)=1:3

c.平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變 d.恒溫恒容情況下，氣體密度不再改變

（3）若容器容積不變，不考慮反應(yīng)Ⅰ，對(duì)反應(yīng)Ⅱ下列措施可增加 CO 轉(zhuǎn)化率的是（____________）

a．升高溫度 b．將 CO2 從體系分離 c．充入 He，使體系總壓強(qiáng)增大 d．按原投料比加倍投料

（4）某溫度下，對(duì)于反應(yīng)Ⅰ，將 n(H2O)∶n(CH4) = 1∶1 的原料氣充入恒容密閉容器中，初始?jí)簭?qiáng)為 P0，反應(yīng)達(dá) 平衡時(shí)總壓強(qiáng)為 P1，則平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為 ____________________________ (忽略副反應(yīng))。

（5）將 1molCH4(g) 和 1molH2O(g)加入恒溫恒壓的密閉容器中(溫度 298K、壓強(qiáng) 100kPa)，發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，不考慮 反應(yīng)Ⅱ的發(fā)生，該反應(yīng)中，正反應(yīng)速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反應(yīng)速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)，其中 k 正、k 逆 為速率常數(shù)，p 為分壓(分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))，則該反應(yīng)的壓強(qiáng)平衡常數(shù) Kp= ____________________________ (以 k 正、k 逆表示)。若 該條件下 k 正=4.4×104kPa-1·s-1,當(dāng) CH4 分解 20%時(shí)，v 正= ___________________________kPa·s-1（保留兩位有效數(shù)字）。

Answer 1

【答案】CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H = +169 kJ/mol AC b k正/k逆 4.9×107

【解析】

（1）根據(jù)蓋斯定律書寫熱化學(xué)方程式；

（2）反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率，各物質(zhì)的濃度、體積分?jǐn)?shù)、物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)等物理量不變，據(jù)此分析；

（3）增加 CO 轉(zhuǎn)化率，平衡正向移動(dòng)；

（4）根據(jù)反應(yīng)方程式計(jì)算，平衡體系總壓為各組分分壓之和；

（5）根據(jù)正反應(yīng)速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反應(yīng)速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)以及Kp=進(jìn)行計(jì)算。

（1）根據(jù)蓋斯定律反應(yīng)Ⅰ+反應(yīng)Ⅱ得：CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H = +169 kJ/mol；

（2）A. 該反應(yīng)為非等體積反應(yīng)，壓強(qiáng)不再改變，反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，A項(xiàng)正確；

B.速率之比在任何時(shí)候都等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，不一定是平衡狀態(tài)，B項(xiàng)錯(cuò)誤；

C. 該反應(yīng)為非等體積反應(yīng)，平均相對(duì)分子質(zhì)量不再改變, 反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，C項(xiàng)正確；

D. 反應(yīng)中質(zhì)量守恒，氣體總質(zhì)量不變，氣體體積不變，密度始終不變，不能證明達(dá)到平衡狀態(tài)，D項(xiàng)錯(cuò)誤；

但選AC；

（3）a．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度 ，平衡逆向移動(dòng)，CO 轉(zhuǎn)化率減小，a項(xiàng)錯(cuò)誤；

b．將 CO2 從體系分離，減小了生成物的濃度，平衡正向移動(dòng)，b項(xiàng)正確；

c．充入 He，使體系總壓強(qiáng)增大，但各物質(zhì)的濃度不變，平衡不移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率不變，c項(xiàng)錯(cuò)誤；

d．按原投料比加倍投料，新平衡與原平衡等效，轉(zhuǎn)化率不變，d項(xiàng)錯(cuò)誤；

答案選b；

（4）設(shè)反應(yīng)中轉(zhuǎn)化的壓強(qiáng)為x，則

CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)

起始?jí)簭?qiáng) 0 0

轉(zhuǎn)化壓強(qiáng) x x x 3x

平衡壓強(qiáng) -x -x x 3x

-x+-x+x+3x=P1，解得x=，平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為×100%=×100%=(-1) ×100%；

（5）正反應(yīng)速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反應(yīng)速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)，則p(CH4)×p(H2O)=，p(CO)×p3(H2)=，Kp==，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)v(正)=v(逆)，因此Kp==；當(dāng) CH4 分解 20%時(shí)，

CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)

起始(mol) 1 1 0 0

轉(zhuǎn)化(mol) 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡(mol) 0.8 0.8 0.2 0.6

平衡時(shí)甲烷的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為=，水蒸氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為=，

則p(CH4)=100kPa×= kPa，p(H2O)= 100kPa×= kPa，又v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O)，當(dāng)k 正=4.4×104kPa-1·s-1時(shí)，v 正=4.4×104××=4.9×107 kPa·s-1。