Question

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

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

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

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

（2）反應Ⅰ達到平衡的標志是（____________）

a.恒溫恒容情況下，壓強不再改變 b. v(CO):v(H2)=1:3

c.平均相對分子質量不再改變 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Ⅰ，對反應Ⅱ下列措施可增加 CO 轉化率的是（____________）

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

（4）某溫度下，對于反應Ⅰ，將 n(H2O)∶n(CH4) = 1∶1 的原料氣充入恒容密閉容器中，初始壓強為 P0，反應達 平衡時總壓強為 P1，則平衡時甲烷的轉化率為 ____________________________ (忽略副反應)。

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

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）根據蓋斯定律書寫熱化學方程式；

（2）反應達到平衡狀態時，正反應速率等于逆反應速率，各物質的濃度、體積分數、物質的量分數等物理量不變，據此分析；

（3）增加 CO 轉化率，平衡正向移動；

（4）根據反應方程式計算，平衡體系總壓為各組分分壓之和；

（5）根據正反應速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反應速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)以及Kp=進行計算。

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

（2）A. 該反應為非等體積反應，壓強不再改變，反應達到平衡狀態，A項正確；

B.速率之比在任何時候都等于化學計量數之比，不一定是平衡狀態，B項錯誤；

C. 該反應為非等體積反應，平均相對分子質量不再改變, 反應達到平衡狀態，C項正確；

D. 反應中質量守恒，氣體總質量不變，氣體體積不變，密度始終不變，不能證明達到平衡狀態，D項錯誤；

但選AC；

（3）a．該反應為放熱反應，升高溫度 ，平衡逆向移動，CO 轉化率減小，a項錯誤；

b．將 CO2 從體系分離，減小了生成物的濃度，平衡正向移動，b項正確；

c．充入 He，使體系總壓強增大，但各物質的濃度不變，平衡不移動，轉化率不變，c項錯誤；

d．按原投料比加倍投料，新平衡與原平衡等效，轉化率不變，d項錯誤；

答案選b；

（4）設反應中轉化的壓強為x，則

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

起始壓強 0 0

轉化壓強 x x x 3x

平衡壓強 -x -x x 3x

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

（5）正反應速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反應速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)，則p(CH4)×p(H2O)=，p(CO)×p3(H2)=，Kp==，達到平衡狀態時v(正)=v(逆)，因此Kp==；當 CH4 分解 20%時，

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

起始(mol) 1 1 0 0

轉化(mol) 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡(mol) 0.8 0.8 0.2 0.6

平衡時甲烷的物質的量分數為=，水蒸氣的物質的量分數為=，

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