Question

【题目】碳氢化合物有多种，它们在工业生产、生活中有重要用途。

(1)石油危机日渐严重，甲烷的转化和利用在天然气化工行业有非常重要的作用。甲烷重整技术主要是利用甲烷和其他原料来制备合成气(CO和H2混合气体)。现在常见的重整技术有甲烷-水蒸气重整，其反应为:CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) ΔH>0

如图为反应压强为0.3 MPa，投料比n(H2O)/n(CH4)为1，在三种不同催化剂催化作用下，甲烷-水蒸气重整反应中CH4转化率随温度变化的关系。

下列说法正确的是________。

A．在相同条件下，三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ

B．b点CH4的转化率高于a点，原因是b、a两点均未达到平衡状态，b点温度高，反应速率较快，故CH4的转化率较大

C．C点一定未达到平衡状态

D．催化剂只改变反应速率不改变平衡移动，所以在850℃时，不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下达平衡时CH4的转化率相同

(2) 乙炔(C2H2)在气焊、气割及有机合成中用途非常广泛，甲烷在1500℃左右气相裂解法生产，裂解反应：2CH4(g)=C2H2(g)+3H2(g)的△H= +376.4kJ/mol。

哈斯特研究得出当甲烷分解时，几种气体平衡时分压(Pa)与温度(℃)的关系如图所示。

①T1℃时，向1L恒容密闭容器中充入0.3 mol CH4只发生反应2CH4(g) C2H4(g)+2H2(g)，达到平衡时，测得c(C2H4)=c(CH4)。该反应的△H____0(填“>”或“<”)，CH4的平衡转化率为____%(保留3位有效数字)。上述平衡状态某一时刻，若改变温度至T2℃，CH4以0.01mol/(L·s)的平均速率增多，经ts后再次达到平衡，平衡时，c(CH4)=2c(C2H4)，则T1_____(填“>”或“<”)T2，t=______s。

②由图可知，甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成，为提高甲烷制乙炔的转化率，除改变温度外，还可采取的措施有___________。

Answer 1

【答案】BD > 66.7% > 5 可以充入适量的乙烯 （或采用选择性好的催化剂）

【解析】

(1)根据催化剂能增大反应速率，降低活化能，但不影响化学平衡分析；平衡常数只与温度有关；

(2)①分解反应绝大多数为吸热反应；设出CH4的转化浓度，然后根据三段式，利用c(C2H4)=c(CH4)来解答；根据改变温度后，CH4的浓度升高来判断温度的变化；表示出变化后的CH4和C2H4的浓度，然后根据c(CH4)=2c(C2H4)来计算；

②甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成，为提高甲烷制乙炔的转化率，可以充入适量的乙烯。

(1)A．在相同条件下，转化率越高催化效率越高，根据图象可知，相同稳定性甲烷的转化率Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，则三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，故A错误；

B．b、a两点均未达到平衡状态，温度越高反应速率较快，CH4的转化率较大，温度：b＞a，则b点CH4的转化率高于a点，故B正确；

C．相同温度时c点甲烷转化率最高，此时可能达到平衡状态，故C错误；

D．催化剂不影响化学平衡，则850℃时，不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下达平衡时CH4的转化率相同，故D正确；

故答案为BD；

(2)①反应2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)为分解反应，而分解反应绝大多数为吸热反应，故此反应为吸热反应；

设CH4的转化浓度为Xmol/L，可知：

2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)

初始浓度（mol/L） 0.3 0 0

浓度变化（mol/L） x 0.5x x

平衡浓度（mol/L）(0.3-x) 0.5x x

根据c(C2H4)=c(CH4)可知：0.3-x=，解得x=0.2mol/L；

故CH4的平衡转化率=×100%=66.7%；

改变温度后，CH4的浓度升高，即平衡左移，即温度应为降低，即T1＞T2；

由于CH4以0.01mol/(Ls)的平均速率增多，经ts后再次达到平衡，故在ts的时间内，CH4的浓度变化为0.01tmol/L，根据浓度的该变量之比等于计量数之比，利用三段式来计算：

2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)

初始浓度（mol/L）0.1 0.1

浓度改变（mol/L）0.01t 0.005t

平衡浓度（mol/L）(0.1+0.01t) (0.1-0.005t)

由于c(CH4)=2c(C2H4)，故有：0.1+0.01t=2×(0.1-0.005t)，解得t=5s；

②甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成，充入适量的乙烯，可抑制甲烷向乙烯的转化，从而提高甲烷制乙炔的转化率。