Question

【题目】Ⅰ.利用甲烷催化还原NOx消除氮氧化物的污染

①CH4(g)＋4NO2(g) 4NO(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH1＝－574 kJ·mol－1

②CH4(g)＋4NO(g) 2N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH2＝－1 160 kJ·mol－1

③CH4(g)＋2NO2(g) N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)　ΔH3＝－867 kJ·mol－1

（1）如果三个反应的平衡常数依次为K1、K2、K3，则K3＝________(用K1、K2表示)。

（2）在2L恒容密闭容器中充入1 mol CH4和2 mol NO2进行反应③，CH4的平衡转化率α(CH4)与温度和压强的关系如图所示。

①若容器中的压强为p2，y点：v正________(填“大于”“等于”或“小于”)v逆。

②x点对应温度下反应的平衡常数K＝________。

Ⅱ.甲烷蒸气转化法制H2的主要反应为：CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g)

（3）在恒容密闭容器中充入2 mol CH4和H2O(g)的混合气体，且CH4和H2O(g)的物质的量之比为x，相同温度下达到平衡时测得H2的体积分数φ(H2)与x的关系如图所示。

则CH4的转化率：a点________(填“>”“＝”或“<”，下同)b点，CH4(g)的浓度：a点________b点，氢气的产率：a点________b点。

Answer 1

【答案】 大于 0.25 > ＝ ＝

【解析】

Ⅰ.（1）分别写出K1、K2、K3的表达式，可以求出K3与K1、K2的关系；

（2）①y点在p2对应曲线下方，要达到平衡状态，需使甲烷的转化率增大，反应正向进行；

②结合题图1，根据三段式可以求出该温度下反应的平衡常数K；

Ⅱ.（3）x越大，加入的甲烷的量越多，因此甲烷的转化率越低；结合题给图像根据三段式进行分析判断；

Ⅰ.（1）K1=[c2（H2O）c（CO2）c4（NO）]/[c（CH4）c4（NO2）]，K2=[c2（H2O）c（CO2）c2（N2）]/[c（CH4）c4（NO）]，K3=[c2（H2O）c（CO2）c（N2）]/[c（CH4）c2（NO2）]；所以K32= K1 K2，所以K3＝；

答案是：；

（2）①y点在p2对应曲线下方，要达到平衡状态，需使甲烷的转化率增大，则y点：v正大于v逆；

答案是：大于；

②由题图1可知，x点甲烷的平衡转化率是50%，则有：

CH4(g)＋2NO2(g) N2(g)＋CO2(g)＋2H2O(g)

起始/(mol·L－1)0.5 1 0 0 0

转化/(mol·L－1)0.25 0.5 0.25 0.25 0.5

平衡/(mol·L－1)0.25 0.5 0.25 0.25 0.5

因此该温度下反应的平衡常数K＝＝0.25；

答案是：0.25；

Ⅱ.（3）x越大，加入的甲烷的量越多，因此甲烷的转化率越低，故a点甲烷的转化率大于b点甲烷的转化率；当CH4和H2O(g)的物质的量之比的比值为9/11时，则起始时，甲烷的物质的量为0.9 mol，H2O(g)的物质的量为1.1 mol，反应达到平衡时，设CH4转化了n mol，则有：

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始/(mol) 0.9 1.1 0 0

转化/(mol) n n n 3n

平衡/(mol) 0.9－n 1.1－n n 3n

此时氢气的体积分数为3n/(2＋2n)，当CH4和H2O(g)的物质的量之比的比值为11/9时，起始时，甲烷的物质的量为1.1 mol，H2O(g)的物质的量为0.9 mol，反应达到平衡时，设CH4转化了y mol，则有：

CH4(g)＋H2O(g) CO(g)＋3H2(g)

起始/(mol) 1.1 0.9 0 0

转化/(mol) y y y 3y

衡/(mol) 1.1－y 0.9－y y 3y

此时氢气的体积分数为3y/(2＋2y)，由题图2可知，a点和b点的氢气的体积分数相等，故n＝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；

故答案是：>； ＝；＝。