Question

【题目】工业上常用甲烷与水蒸气的催化重整反应制取水煤气。T℃时，每生成5.6gCO该反应吸热40.6kJ。

(1)该反应的热化学方程式为_____；

(2)该反应的逆反应速率方程为v逆=k逆·cm (CO)·cn (H2)， k逆、m、n需要通过实验测定。T℃时，测得有关数据为：

序号	c(CO)/mol·L－1	c(H2)/mol·L－1	v逆/mol·L﹣1·min－1
Ⅰ	0.05	0.02	4.80×10－3
Ⅱ	0.03	0.05	4.50×10－2
Ⅲ	0.02	0.02	1.92×10－3
Ⅳ	0.03	0.01	3.60×10－4

通过计算，k逆的数值为___，当c(CO)=0.01mol/L、c(H2)=0.03mol/L时，v逆=___________；

(3)在体积为3 L的密闭容器中，加入甲烷和水蒸气各3 mol，在一定条件下发生上述反应，测得平衡时H2的体积分数与温度、压强的关系如图所示，则压强P1___P2（“＞”、“=”或“＜”）；温度为T4℃、压强为P1 MPa时，N点表示的体系状态v正_____v逆(填“＞”、“=”或“＜”)；若P1 =5.0×103 MPa，M点表示的体系状态CH4的平衡转化率为_______、压强平衡常数KP=___________。

Answer 1

【答案】CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH = +203.0 kJ/mol 12000 3.24×10－3 mol/(L·min) ＞ ＜ 66.7% 1.08×108 MPa2

【解析】

(1). 每生成5.6gCO该反应吸热40.6kJ，则生成28gCO则吸热40.6kJ×=203 kJ/mol，则热化学方程式为 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH = +203.0 kJ/mol，

故答案为：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH = +203.0 kJ/mol

(2)根据速率方程 v逆=k逆cm (CO)·cn (H2)，代入Ⅰ，Ⅲ两组数据，可得到4.80×10－3= k逆0.05m0.02n (1) ，1.92×10－3 = k逆0.02 m0.02n (2)；得到0.4=0.4m，则m=1；

代入Ⅱ，Ⅳ两组数据，可得到4.50×10－2= k逆0.03m0.05n (3)，3.60×10－4 = k逆0.03m0.01n (4)，得到125=5n，则n=3；

v逆=k逆·cm (CO)·cn (H2)，代入Ⅰ组数据，4.80×10－3= k逆0.05m0.02n ，m=1，n=3，则k逆==12000；当c(CO)=0.01mol/L、c(H2)=0.03mol/L时，v逆=k逆·cm (CO)·cn (H2)= 12000×0.01×(0.03)3=3.24×10－3 mol/(L·min)

故答案为：12000，3.24×10－3 mol/(L·min)

(3)主反应为：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)，nH2O:nCH3OH＝1:1的原料气充入恒容密闭容器中，初始压强为p1，反应达到平衡时总压强为p2，CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) 反应为气体分子数增多的反应，随着反应的进行，体系压强增大，增大压强不利于反应正向进行，所以压强p1大于p2，N点时反应尚未达到平衡，反应仍需正向进行，所以v正大于v逆，M点时平衡体系中H2的体积分数为60%，相同条件下的体积分数就是物质的量分数
CH4(g)+H2O(g)＝CO(g)+3H2(g)

起始(mol) 3 3 0 0

转化(mol) x x x 3x

平衡(mol) 3x 3x x 3x

所以有，可得x＝2，所以平衡时c(CH4)的平衡转化率==66.7%；根据反应CH4(g)+H2O(g)＝CO(g)+3H2(g)，n(H2O):n(CH4)＝1:1的原料气充入恒容密闭容器中，CH4(g)+H2O(g)＝CO(g)+3H2(g)，P1 =5.0×103 MPa的恒压条件下，各物质平衡时的物质的量分别是CH4 1mol，H2O1mol，CO2mol，H26mol，混合气体的总物质的量为1+1+2+6=10mol，压强平衡常数Kp，气体组分的分压=总压强×(气体组分的物质的量/气体总物质的量)，根据公式KP= = ==×100= p12=×(5.0×103)2=1.08×108 MPa2

故答案为：＞；＜；66.7%；1.08×108 MPa2。