Question

【题目】CO2和甲烷催化合成CO和H2是CO2资源化利用的有效途径。主要反应为

Ⅰ：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H=+247kJ/mol

（1）已知CH4(g)+H2O(g) CO(g)+H2(g) △H=+206kJ/mol

写出CH4和水蒸气反应生成CO2的热化学方程式_________。

（2）在恒温、恒容的密闭容器中发生反应I，下列选项能够说明反应I达到平衡状态的是______。

A.混合气体的密度不变

B.混合气体的总压强不变

C.CH4、CO2、CO、H2的物质的量之比为1:1:2:2

D.3V正(H2)=V逆(CH4)

E.混合气体的平均相对分子质量不变

（3）催化合成的温度通常维持在550-750℃之间，从反应速率角度分析其主要原因可能是_________。

（4）将CH4与CO2各1mol充入某密闭容器中，发生反应I。100Kpa时，反应I到达平衡时CO2的体积分数与温度的关系曲线如图所示。

①图中A、B、C三点表示不同温度、压强下达到平衡时CO2的体积分数，则______点对应的平衡常数最小，判断依据是________；__________点对应的压强最大。

②300℃，100Kpa下，该容器中反应I经过40min达到平衡，计算反应在0-40min内的平均反应速率为v(CO2)=_________mol/min（结果保留两位有效数字），该温度下的压强平衡常数Kp=________。

（用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数）

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165kJ/mol BE 在该温度范围内，催化剂的活性较大，反应速率快（合理即给分） A 反应I吸热反应，温度降低，平衡常数减小 C 2.8×10-3 6.25KPa2

【解析】（1）已知：①CH4(g)+H2O(g) CO(g)+H2(g) △H=+206kJ/mol

②CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H=+247kJ/mol

根据盖斯定律可知①×2－②即得到CH4和水蒸气反应生成CO2的热化学方程式为CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165kJ/mol。（2）A. 密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，因此混合气体的密度不变不能说明，A错误；B.正反应体积增大，则混合气体的总压强不变说明反应达到平衡状态，B正确；C.CH4、CO2、CO、H2的物质的量之比为1:1:2:2不能说明正逆反应速率相等，则不一定处于平衡状态，C错误；D.3V正(H2)=V逆(CH4)不能满足反应速率之比是化学计量数之比，没有达到平衡状态，D错误；E. 混合气的平均相对分子质量是混合气的质量和混合气的总的物质的量的比值，质量不变，但物质的量是变化的，所以混合气体的平均相对分子质量不变说明反应达到平衡状态，E正确；答案选BE；（3）催化剂的活性受温度影响较大，因此主要原因可能是在该温度范围内，催化剂的活性较大，反应速率快。（4）①由于反应I吸热反应，温度降低，平衡常数减小，所以A点对应的平衡常数最小；C点温度最高，反应物转化率最大，由于正反应体积增大，则C点对应的压强最大。②根据方程式可知：

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始量（mol）1 1 0 0

转化量（mol）x x 2x 2x

平衡量（mol）1－x 1－x 2x 2x

300℃，100Kpa下平衡时CO2体积分数是0.4，则，解得x＝1/9，则在0-40min内的平均反应速率为v(CO2)=1/(9×40)＝2.8×10-3mol/min，该温度下的压强平衡常数Kp=＝6.25KPa2。