Question

【題目】氫氣既是一種優質的能源，又是一種重要化工原料，高純氫的制備是目前研究的熱點。

(1)甲烷水蒸氣催化重整是制備高純氫的方法之一，甲烷和水蒸氣反應的熱化學方程式：CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)△H=+165.0kJ·mol-1。

已知反應器中存在如下反應過程式：

Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206. 4 kJ. mol-1

Ⅱ.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2=___。

(2)某溫度下，4molH2O和1 mol CH4在體積為2L的剛性容器內同時發生反應I、Ⅱ，反應達到平衡時，體系中n(CO)=bmol、n(CO2)=dmol，則該溫度下反應I的平衡常數K的值為_____用含字母b、d的代數式表示)

(3)欲增大CH4轉化為H2的平衡轉化率，可采取的措施有_____(填標號)。

A.適當增大反應物的投料比n(H2O)：n(CH4)

B.增大壓強

C.分離出CO2

(4)H2用于工業合成氨：N2+3H2 2NH3.將n(N2)：n(H2)=1:3的混合氣體，勻速通過裝有催化劑的反應器中反應，反應器的溫度變化與從反應器排出的氣體中NH3的體積分數φ(NH3)的關系曲線如圖，反應器溫度高于T0后，NH3的體積分數g(NH3)隨溫度的升高而減小的原因是____。

某溫度下，n(N2)：n(H2)=1:3的混合氣體在剛性容器內發生反應，起始時氣體總壓為p0Pa，平衡時氣體總壓為0.9p0Pa，則H2的轉化率為____，氣體分壓(p分)=氣體總壓(p總)×體積分數，用某物質的平衡分壓代替物質的量濃度也可以表示化學反應平衡常數(記作Kp)，則此溫度下，該反應的化學平衡常數Kp=_____(用含p0的代數式表示)。

Answer 1

【答案】-41.4 kJ. mol-1 AC 溫度高于T0時反應達到平衡，該反應是正反應放熱反應，故溫度升高，平衡逆向移動，NH3的體積分數減小 20%

【解析】

（1）利用蓋斯定律求出反應Ⅱ的H2；

（2）求出平衡時反應物、生成物的濃度，計算平衡常數；

（3）欲增大CH4轉化為H2的平衡轉化率，當CH4投料時的物質的量不變，使化學平衡正向移動；

（4）溫度低于T0時未達到平衡，溫度高于T0時反應達到平衡，該反應是放熱反應，根據題意計算出各自的分壓，然后計算分壓平衡常數。

（1）由蓋斯定律可知，H2=△H-ΔH1=165.0kJ·mol-1-206. 4 kJ· mol-1=-41.4 kJ· mol-1；

（2）由n(CO2)=dmol可知反應Ⅱ生成的n(H2)=dmol，同時消耗n(CO)=dmol，同時消耗n(H2O)= dmol，則反應Ⅰ中生成的n(CO)=(b+d)mol，消耗的n(CH4)=(b+d)mol，消耗的n(H2O)=(b+d)mol，生成的n(H2)= (3b+3d)mol，則平衡體系內n(CH4)=(1-b-d) mol、n(H2O)=(4-b-2d)mol、n(CO)=bmol、n(H2)= (3b+4d)mol，，容器的體積為2L，故反應I的平衡常數K=

=；

（3）A．適當增大反應物的投料比n(H2O)：n(CH4)，增大水的量促進甲烷轉化為CO，促進CO轉化為CO2，A正確；

B．增大壓強，反應Ⅰ的平衡向左移動，B錯誤；

C．分離出CO2可使平衡向右移動，C正確；

答案選AC。

（4）溫度低于T0時未達到平衡，溫度升高，反應速率加快，NH3的體積分數增大，溫度高于T0時反應達到平衡，該反應是正反應放熱反應，故溫度升高，平衡常數減小，NH3的體積分數減小；

設初始加入n(N2)=amol，n(H2)=3amol，平衡時H2的轉化率為x，則反應中消耗的H2的物質的量為3axmol，反應中消耗的N2的物質的量為axmol，生成NH3的物質的量為2axmol，則達到平衡時，H2的物質的量為(3a -3ax)mol，N2的物質的量為(a -ax)mol，NH3的物質的量為2axmol，在恒溫恒容的容器中壓強之比等于物質的量之比，故4a：(4a-2ax)= p0：0.9p0，x=20% ，所以平衡時H2的物質的量為2.4amol，N2的物質的量為0.8amol，NH3的物質的量為0.4amol，則它們各自的分壓分別為：p (H2)= 0.9p0Pa×[2.4a/(2.4a+0.8a+0.4a)]=0.6 p0Pa，p (N2)= 0.9p0Pa×[0.8a/(2.4a+0.8a+0.4a)]=0.2p0Pa，p (NH3)= 0.9p0Pa×[0.4a/(2.4a+0.8a+0.4a)]

=0.1p0Pa，該反應的化學平衡常數Kp= 。