Question

【題目】CH4-CO2催化重整不僅可以得到合成氣(CO和H2)，還對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

回答下列問題：

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

(2)某溫度下，向密閉容器中充入CH4與CO2，發生CH4-CO2催化重整反應。測得平衡混合物中CO(g)的體積分數[φ(CO)]與起始投料比Z[Z=n(CH4)/n(CO2)]的關系如圖所示；

①當Z=2時，CO2的平衡轉化率ɑ=__________%。

②當Z=3時，反應達到平衡狀態后，CO的體積分數可能是圖1中的_________點(填“C”、“D”或“E”)。

(3)若CO2的平衡轉化率(a)與溫度(T)、壓強(p)的關系如圖所示。

①由圖可知壓強p1__________p2(選填“>”、“<“或“=”)；

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

A．CH4與CO2的物質的量比為1：1

B．氫氣的體積分數不變

C．混合氣體的平均摩爾質量保持不變

D．當消耗1mol的CO2同時，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)根據蓋斯定律計算；

(2) ①列出三行式，找出各量，利用已知條件，列方程求解；

②反應物按方程式中各物質的化學計量數比投料時產物的體積分數最大。

(3)①其他條件相同時，壓強越大CO2的平衡轉化率(a)越小；

②列出三行式，依據三行式計算比較；可逆反應達到平衡時，同種物質的正逆速率相等，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隨反應進行發生變化，該物理量由變化到不變化說明達到平衡。

(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

根據蓋斯定律可知①-②2即得到催化重整反應：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n(CH4)=2amol，則n(CO2)=amol，轉化的CO2的物質的量為xmol，

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

起始（mol） 2a a 0 0

轉化（mol） x x 2x 2x

平衡（mol）2a-x a-x 2x 2x

由圖可知，達到平衡狀態時，CO的體積分數為20%，則100%=20%，解得x=，

則CO2的平衡轉化率ɑ=100%=37.5%；

②反應物按方程式中各物質的化學計量數比投料時產物的體積分數最大，否則都會使體積分數減小，故應選E點；

故答案為：37.5 ；E；

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

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

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

起始（mol） 1 1 0 0

轉化（mol） 0.5 0.5 1 1

平衡（mol） 0.5 0.5 1 1

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

則此條件下該反應的平衡常數為K===1；

達平衡后若再充入1.5mol CH4 、1.5mol CO2、 1mol CO、1mol H2，

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

濃度商Qc===1=K，說明處于平衡狀態，則此時v正 =v逆；

A．CH4與CO2的起始量和轉化量的物質的量比均為1：1，所以比值始終不變，不能說明該反應已達平衡，故不選A；

B．氫氣的體積分數不變，則各物質的含量都保持不變，能說明該反應已達平衡，故選B；

C．該反應前后混合氣體的總質量不變，物質的量發生改變，根據M=，若混合氣體的平均摩爾質量保持不變，則能說明該反應已達平衡，故選C；

D．由方程式可知，當消耗1mol的CO2時，必然生成2mol的CO，不能說明該反應已達平衡，故不選D；故選BC。

故答案為：< ；1；= ；BC。