Question

【题目】氢气是一种清洁能源，氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。

（1）已知：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)△H=+206.2kJ/mol，

CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)△H=+247.4kJ/mol，

以甲烷为原料制取氢气是工业上常用的制氢方法。CH4(g)与H2O(g)反应生成CO2(g)和H2(g)的热化学方程式为______________________________________________________。

（2）工业上可用H2和CO2制备甲醇，其反应方程式为CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。某温度下，将1molCO2和3molH2充入体积不变的2L密闭容器中，发生上述反应，测得不同时刻反应前后的压强关系如下表所示:

①用H2表示的前2h的平均反应速率v(H2)=_________。

②该温度下，CO2的平衡转化率为______________。

（3）在300℃、8MPa下，将CO2和H2按物质的量之比1:3通入一密闭容器中发生(2)中反应，达到平衡时，测得CO2的平衡转化率为50%，则该反应条件下的平衡常数为Kp=_____(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。

（4）CO2经催化加氢可合成低碳烯烃:2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)△H。在0.1MPa时，按n(CO2)：n(H2)=1：3投料，如图所示为不同温度(T)下，平衡时四种气态物质的物质的量(n)的关系。

①该反应的△H_______0(填“>”或“<”)。

②曲线c表示的物质为______(填化学式)。

Answer 1

【答案】CH4(g) + 2H2O(g) = CO2(g) + 4H2(g) △H = + 165.0 kJ/mol 0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·min-1） 40% 1/48或0.02 < C2H4

【解析】

（1）已知：①CH 4（g）+H 2 O（g）═CO（g）+3H 2（g）△H=+206.2kJ/mol
②CH 4（g）+CO 2（g）═2CO（g）+2H 2（g）△H=+247.4kJ/mol
由盖斯定律，①×2-②得CH 4（g）+2H 2 O（g）═CO 2（g）+4H 2（g）△H=+165.0 kJ/mol，
故答案为：CH 4（g）+2H 2 O（g）═CO 2（g）+4H 2 （g）△H=+165.0 kJ/mol；

（2）①恒温恒容时，气体压强之比等于其物质的量之比，2h时P后/P前=0.85，

设消耗CO2的物质的量为x mol。

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g) V

1 3 1 1 2

x mol 2x mol

则有（4-2x） mol/4 mol=0.85 x=0.3

故前2h的平均反应速率v（H2）=0.3 mol×3/2L×2h=0.225 mol·L-1·h-1

②该温度下，反应进行5h时达到平衡状态，此时P后/P前=0.80，设消耗CO2的物质的量为y mol，则有4-2y mol/4 mol=0.80，解得y=0.4，故CO2的平衡转化率为0.4 mol/1 mol×100%=40%

本题答案:：0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·min-1） ；40%

（3）设开始时投入CO2和H2的物质的量分别为1 mol、3 mol，CO2的平衡转化率为50%，则有： CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)

起始/ mol 1 3 0 0

转化/ mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡/ mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡时p（CO2）=8MPa×0.5 mol/3 mol=4/3 MPa，p（H2）=8MPa×1.5 mol/3 mol=4 MPa，

p（CH3OH）=8MPa×0.5 mol/3 mol=4/3 MPa，p（H2O）=8MPa×0.5 mol/3 mol=4/3 MPa，

故该反应条件下的平衡常数为Kp= p（CH3OH）·p（H2O）/ p（CO2）·p（H2）= 1/48

（4）①由曲线变化可知随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，说明升高温度平衡逆向移动，则正反应放热△H＜0. ②随着温度升高，氢气的物质的量逐渐增多，因氢气为反应物，则另一条逐渐增多的曲线a代表CO2，C2H4 (g)、H2O (g)都是生成物，随着平衡逆向移动，二者的物质的量逐渐减小，由计量关系可知曲线a代表水，曲线c代表C2H4

本题答案：＜；C2H4