题目内容

【题目】CH4和H2O在一定条件下, 可以转化为合成一系列有机化合物、氨的重要原料(CO+H2),这种方法称作甲烷水蒸气重整法制合成气,其能量变化如图:

(1)甲烷水蒸气重整法制合成气的热化学方程式为_______;该反应只有在_____(填“高温”、“低温”或“常温”)才自发进行。

(2)下列有关甲烷水然气重整法制合成气的说法正确的是_____(填字母)。

A.相同条件下,该反应的逆反应更易发生

B.恒温恒容时充入一定量CO2,可促进CH4转化并可调节CO和H2的比例

C.若反应的高效催化剂为A,则A一定是CO和H2合成CH4的高效催化剂

D.恒温时向上述平衡体系中充入少量Ar,平衡一定不移动

E.有副反应:H2O+COCO2+H2

(3)在恒容密闭容器中充入2mol的CH4和H2O(g)混合气体,且CH4和H2O(g)的物质的量之比为x,相同温度下测得H2平衡产率与x的关系如图所示。请问a、b两点比较(填“>”、“<”、“=”);CH4的转化率a点____b点,a点CH4的浓度_____b点H2O(g)的浓度,氢气的产率a点_____b点。

(4)当充入CH4和H2O(g)物质的量之比1:2.2时,温度、压强p对平衡时CO体积分数φ(CO)的影响如图,则压强由大到小的排序是_____;当T<450℃和T≥1000℃时,压强p对φ(CO)几乎无影响的原因是_____________________

(5)在下图左室充入1molCH4和H2O(g)混合气体(物质的量之比为1:1),恒温条件下反应建立平衡,测得CH4的转化率为50%,则其平衡常数为_________

【答案】 CH4(g)H2O(g)CO(g)3H2(g)ΔH=+206.1 kJ/mol 高温 ABCE > = = p3>p2>p1 T<450℃时,几乎不反应,所以压强的改变对φ(CO) 几乎无影响;当T≥1000℃时,φ(CO)已经很大,甲烷的转化率已经达到了90%以上,所以压强的改变对φ(CO)影响很小。 0.75

【解析】(1)本题考查热化学反应方程式的书写,以及反应反应方向的进行,根据能量变化图,热反应方程式为CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=(240.1-34.0)kJ·mol-1=+206.1kJ·mol-1;根据△G=△H-T△S,此反应是吸热反应,即△H<0,此反应是熵增,即△S>0,因此能自发进行,△G<0,即在高温下;(2)本题考查影响化学反应速率的因素,A、根据图像,逆反应的活化能小,因此逆反应更易发生,故A正确;B、反应体系中存在CO+H2O CO2+H2反应,恒温恒容时充入一定量的CO2,可促进产物中H2反应,提高CH4的平衡转化率,并适当减少H2的物质的量,增加CO的物质的量,调节CO和H2的比例,故B正确;C、使用催化剂降低反应的活化能,某可逆反应的正反应使用催化剂一定也是逆反应的催化剂,故C正确;D、恒温恒容时充入非反应气体,组分的浓度不变,平衡不移动,如果是恒温恒压下,充入非反应气体,组分的浓度降低,平衡正向移动,故D错误;E、反应体系中存在CO+H2O CO2+H2反应,故E正确;(3)本题是影响化学平衡移动的因素以及化学平衡的计算,x越大,甲烷的量越多,因此甲烷的转化率降低,即a点甲烷的转化率大于b点甲烷转化率;当比值为9:11,设甲烷为9mol,H2O为11mol, CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)

起始:9 11 0 0

变化:x x x 3x

平衡:9-x 11-x x 3x 氢气的体积分数为3x/(20+2x) 当比值为11:9,设甲烷为11mol,H2O为9mol,

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

起始:11 9 0 0

变化:y y y 3y

平衡:11-y 9-y y 3y 氢气的体积分数为3y/(20+2y),因为在a点和b点,氢气的体积分数相等,即推出x=y,a点甲烷的浓度等于b点水蒸气的浓度;两点的氢气产率相等;(4)考查影响化学平衡移动的因素,相同温度下增大压强,平衡向逆反应方向移动,CO的体积分数减小,则压强p3>p2>p1;当T<450℃时,几乎不反应,所以压强的改变对φ(CO) 几乎无影响;当T≥1000℃时,φ(CO)已经很大,甲烷的转化率已经达到了90%以上,所以压强的改变对φ(CO)影响很小;(5)考查化学平衡常数的计算CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)

起始:0.5 0.5 0 0

变化:0.25 0.25 0.25 0.75

平衡:0.25 0.25 0.25 0.75 等温等压下,体积之比等于物质的量之比,达到平衡后,容器的体积为1.5L,根据平衡常数的定义,K=c3(H2)×c(CO)/[C(CH4)×c(H2O)],代入数值,解得K=0.75。

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