Question

【題目】CH4和H2O在一定條件下, 可以轉化為合成一系列有機化合物、氨的重要原料(CO+H2)，這種方法稱作甲烷水蒸氣重整法制合成氣，其能量變化如圖:

（1）甲烷水蒸氣重整法制合成氣的熱化學方程式為_______；該反應只有在_____（填“高溫”、“低溫”或“常溫”）才自發進行。

（2）下列有關甲烷水然氣重整法制合成氣的說法正確的是_____（填字母）。

A.相同條件下，該反應的逆反應更易發生

B.恒溫恒容時充入一定量CO2，可促進CH4轉化并可調節CO和H2的比例

C.若反應的高效催化劑為A，則A一定是CO和H2合成CH4的高效催化劑

D.恒溫時向上述平衡體系中充入少量Ar，平衡一定不移動

E.有副反應：H2O+COCO2+H2

（3）在恒容密閉容器中充入2mol的CH4和H2O(g)混合氣體，且CH4和H2O(g)的物質的量之比為x，相同溫度下測得H2平衡產率與x的關系如圖所示。請問a、b兩點比較（填“>”、“<”、“=”）；CH4的轉化率a點____b點，a點CH4的濃度_____b點H2O(g)的濃度，氫氣的產率a點_____b點。

（4）當充入CH4和H2O(g)物質的量之比1:2.2時，溫度、壓強p對平衡時CO體積分數φ(CO)的影響如圖，則壓強由大到小的排序是_____；當T<450℃和T≥1000℃時，壓強p對φ(CO)幾乎無影響的原因是_____________________。

（5）在下圖左室充入1molCH4和H2O(g)混合氣體(物質的量之比為1:1)，恒溫條件下反應建立平衡，測得CH4的轉化率為50%，則其平衡常數為_________ 。

Answer 1

【答案】 CH4(g)＋H2O(g)＝CO(g)＋3H2(g)ΔH=+206.1 kJ/mol 高溫 ABCE > = = p3>p2>p1 當T<450℃時，幾乎不反應，所以壓強的改變對φ(CO) 幾乎無影響；當T≥1000℃時，φ(CO)已經很大，甲烷的轉化率已經達到了90%以上，所以壓強的改變對φ(CO)影響很小。 0.75

【解析】（1）本題考查熱化學反應方程式的書寫，以及反應反應方向的進行，根據能量變化圖，熱反應方程式為CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g) △H=(240.1－34.0)kJ·mol－1=＋206.1kJ·mol－1；根據△G=△H－T△S，此反應是吸熱反應，即△H<0，此反應是熵增，即△S>0，因此能自發進行，△G<0，即在高溫下；（2）本題考查影響化學反應速率的因素，A、根據圖像，逆反應的活化能小，因此逆反應更易發生，故A正確；B、反應體系中存在CO＋H2O CO2＋H2反應，恒溫恒容時充入一定量的CO2，可促進產物中H2反應，提高CH4的平衡轉化率，并適當減少H2的物質的量，增加CO的物質的量，調節CO和H2的比例，故B正確；C、使用催化劑降低反應的活化能，某可逆反應的正反應使用催化劑一定也是逆反應的催化劑，故C正確；D、恒溫恒容時充入非反應氣體，組分的濃度不變，平衡不移動，如果是恒溫恒壓下，充入非反應氣體，組分的濃度降低，平衡正向移動，故D錯誤；E、反應體系中存在CO＋H2O CO2＋H2反應，故E正確；（3）本題是影響化學平衡移動的因素以及化學平衡的計算，x越大，甲烷的量越多，因此甲烷的轉化率降低，即a點甲烷的轉化率大于b點甲烷轉化率；當比值為9：11，設甲烷為9mol，H2O為11mol， CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g)

起始：9 11 0 0

變化：x x x 3x

平衡：9－x 11－x x 3x 氫氣的體積分數為3x/(20＋2x) 當比值為11：9，設甲烷為11mol，H2O為9mol，

CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g)

起始：11 9 0 0

變化：y y y 3y

平衡：11－y 9－y y 3y 氫氣的體積分數為3y/(20＋2y)，因為在a點和b點，氫氣的體積分數相等，即推出x=y，a點甲烷的濃度等于b點水蒸氣的濃度；兩點的氫氣產率相等；（4）考查影響化學平衡移動的因素，相同溫度下增大壓強，平衡向逆反應方向移動，CO的體積分數減小，則壓強p3>p2>p1；當T<450℃時，幾乎不反應，所以壓強的改變對φ(CO) 幾乎無影響；當T≥1000℃時，φ(CO)已經很大，甲烷的轉化率已經達到了90%以上，所以壓強的改變對φ(CO)影響很小；（5）考查化學平衡常數的計算CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g)

起始：0.5 0.5 0 0

變化：0.25 0.25 0.25 0.75

平衡：0.25 0.25 0.25 0.75 等溫等壓下，體積之比等于物質的量之比，達到平衡后，容器的體積為1.5L，根據平衡常數的定義，K=c3(H2)×c(CO)/[C(CH4)×c(H2O)]，代入數值，解得K=0.75。