Question

【题目】CO和H2在工业上常作为重要的化工原料，其混合气称为合成气。工业上CH4—H2O 催化重整是目前大规模制取合成气的重要方法，其原理为：

反应Ⅰ：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol

反应Ⅱ：CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2 =﹣41kJ/mol

（1）CH4(g)、H2O(g)反应生成 CO2(g)、H2(g)的热化学方程式是 ___________________________。

（2）反应Ⅰ达到平衡的标志是（____________）

a.恒温恒容情况下，压强不再改变 b. v(CO):v(H2)=1:3

c.平均相对分子质量不再改变 d.恒温恒容情况下，气体密度不再改变

（3）若容器容积不变，不考虑反应Ⅰ，对反应Ⅱ下列措施可增加 CO 转化率的是（____________）

a．升高温度 b．将 CO2 从体系分离 c．充入 He，使体系总压强增大 d．按原投料比加倍投料

（4）某温度下，对于反应Ⅰ，将 n(H2O)∶n(CH4) = 1∶1 的原料气充入恒容密闭容器中，初始压强为 P0，反应达 平衡时总压强为 P1，则平衡时甲烷的转化率为 ____________________________ (忽略副反应)。

（5）将 1molCH4(g) 和 1molH2O(g)加入恒温恒压的密闭容器中(温度 298K、压强 100kPa)，发生反应Ⅰ，不考虑 反应Ⅱ的发生，该反应中，正反应速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反应速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)，其中 k 正、k 逆 为速率常数，p 为分压(分压=总压×物质的量分数)，则该反应的压强平衡常数 Kp= ____________________________ (以 k 正、k 逆表示)。若 该条件下 k 正=4.4×104kPa-1·s-1,当 CH4 分解 20%时，v 正= ___________________________kPa·s-1（保留两位有效数字）。

Answer 1

【答案】CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H = +169 kJ/mol AC b k正/k逆 4.9×107

【解析】

（1）根据盖斯定律书写热化学方程式；

（2）反应达到平衡状态时，正反应速率等于逆反应速率，各物质的浓度、体积分数、物质的量分数等物理量不变，据此分析；

（3）增加 CO 转化率，平衡正向移动；

（4）根据反应方程式计算，平衡体系总压为各组分分压之和；

（5）根据正反应速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反应速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)以及Kp=进行计算。

（1）根据盖斯定律反应Ⅰ+反应Ⅱ得：CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H = +169 kJ/mol；

（2）A. 该反应为非等体积反应，压强不再改变，反应达到平衡状态，A项正确；

B.速率之比在任何时候都等于化学计量数之比，不一定是平衡状态，B项错误；

C. 该反应为非等体积反应，平均相对分子质量不再改变, 反应达到平衡状态，C项正确；

D. 反应中质量守恒，气体总质量不变，气体体积不变，密度始终不变，不能证明达到平衡状态，D项错误；

但选AC；

（3）a．该反应为放热反应，升高温度 ，平衡逆向移动，CO 转化率减小，a项错误；

b．将 CO2 从体系分离，减小了生成物的浓度，平衡正向移动，b项正确；

c．充入 He，使体系总压强增大，但各物质的浓度不变，平衡不移动，转化率不变，c项错误；

d．按原投料比加倍投料，新平衡与原平衡等效，转化率不变，d项错误；

答案选b；

（4）设反应中转化的压强为x，则

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

起始压强 0 0

转化压强 x x x 3x

平衡压强 -x -x x 3x

-x+-x+x+3x=P1，解得x=，平衡时甲烷的转化率为×100%=×100%=(-1) ×100%；

（5）正反应速率 v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O) , 逆反应速率 v 逆=k 逆×p(CO)×p3(H2)，则p(CH4)×p(H2O)=，p(CO)×p3(H2)=，Kp==，达到平衡状态时v(正)=v(逆)，因此Kp==；当 CH4 分解 20%时，

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

起始(mol) 1 1 0 0

转化(mol) 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡(mol) 0.8 0.8 0.2 0.6

平衡时甲烷的物质的量分数为=，水蒸气的物质的量分数为=，

则p(CH4)=100kPa×= kPa，p(H2O)= 100kPa×= kPa，又v 正=k 正×p(CH4)×p(H2O)，当k 正=4.4×104kPa-1·s-1时，v 正=4.4×104××=4.9×107 kPa·s-1。