Question

【题目】氢气是重要的化工原料，甲烷和水蒸气在高温和催化剂存在的条件下生成一氧化碳和氢气，工业上称为“甲烷蒸气转化法”。

（1）已知有关反应的能量变化如下图：

则甲烷和水蒸气反应生成一氧化碳和氢气的热化学方程式为_______________________________；

（2）已若该反应在700℃，1 MPa时，1 mol CH4与1 mol H2O在1 L的密闭容器中反应，反应中氢气浓度随时间的变化如右图，6min达到平衡。该温度下反应的平衡常数为______________（结果保留小数点后一位数字）。由第一次平衡到第二次平衡，平衡移动的方向是_____________，采取的措施可能是___________________。

（3）右图中a、b、c、d四条曲线中的两条代表压强分别为1Mpa、2Mpa时甲烷含量曲线，其中表示1Mpa的是________（填字母）。

在实际生产中采用图中M点而不是N 点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑实际生产，说明选择该反应条件的主要原因是________________________________。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH=+161.1kJ/mol 276.5mol2·L-2 逆反应方向 反应体积减小一半或加入等量H2 a 压强越小越有利于该反应向正反应方向进行，有利于提高转化率，同时降低了增大压强的成本；温度越低越有利于该反应向正反应方向进行，CH4转化率大，700℃催化剂活性温度，反应的速率快；所以M 点较为合适。

【解析】(1)由图1可知：①H2(g)+O2(g)→H2O(g)△H=-241.8kJ/mol；②CH4(g)+O2(g)→CO(g)+2H2O(g)△H=-564.3kJ/mol；由盖斯定律可知，②-3×①得CH4(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)△H=-564.3kJ/mol-3×(-241.8kJ/mol)=+161.1kJ/mol，故答案为：CH4(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g)△H=+161.1kJ/mol；

(2) CH4(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

起始(mol/L)： 1 1 0 0

变化(mol/L)：0.8 0.8 0.8 2.4

平衡(mol/L)：0.2 0.2 0.8 2.4

该温度下反应的平衡常数K==276.5mol2L-2；由图可知，在7min时，氢气的浓度增大了一倍，可能是缩小体积为原来的或增加了等量的氢气，无论是增大压强，还是增大氢气的浓度，平衡均是逆向移动，故答案为：276.5mol2L-2；向逆反应方向；将容器体积缩小为原来的或加入等量的氢气；

(3)由CH4(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g)△H=+161.1kJ/mol可知，随着温度的升高，平衡向正反应方向移动，甲烷的平衡含量会逐渐减小，因此排除曲线c、d，又因增大压强，平衡逆向移动，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲线a，2Mpa的是曲线b；压强越小越有利于该反应向正反应方向进行，有利于提高转化率，同时降低了增大压强的成本；温度越低越有利于该反应向正反应方向进行，CH4转化率大，700℃催化剂活性温度，反应的速率快；所以实际生产中采用图中M点而不是N点，故答案为：a；压强越小越有利于该反应向正反应方向进行，有利于提高转化率，同时降低了增大压强的成本；温度越低越有利于该反应向正反应方向进行，CH4转化率大，700℃催化剂活性温度，反应的速率快。