Question

【题目】CH4和H2O(g)在催化剂表面发生反应CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)，该反应仅在高温下能自发进行。

（1）该反应的 ΔH ____0（填“<” “>” 或 “=”）。

（2）T ℃时，向2L密闭容器中投入2mol CH4和1.5mol H2O(g)，发生上述反应，平衡时CH4的转化率为50%，该温度下反应的平衡常数K=_____。

（3） T ℃时，向1 L密闭容器中投入2 mol CH4、1 mol H2O(g)、3 mol CO、2 mol H2，则反应的v(正)___v(逆) (选填“<” “>”或“=”)

（4）现向三个体积均为2L的恒容密闭容器I、II、Ⅲ中，均分别充入1molCO 和2mo1H2发生反应：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1＝-90.1kJ/mol。三个容器的反应温度分别为Tl、T2、T3且恒定不变。当反应均进行到5min时H2的体积分数如图所示，其中只有一个容器中的反应已经达到平衡状态。

①5min时三个容器中的反应达到化学平衡状态的是容器_______（填序号）。

②0-5 min内容器I中用CH3OH表示的化学反应速率v(CH3OH)=_______。（保留两位有效数字）

③当三个容器中的反应均达到平衡状态时，CO转化率最高的是容器______。

Answer 1

【答案】> 13.5 > Ⅲ 0.067 mol/（Lmin） Ⅰ

【解析】

（1）根据反应前后气体物质的化学计量数的变化判断该反应的ΔS>0，且已知该反应仅在高温下能自发进行，根据ΔH-TΔS<0反应可自发进行，可知ΔH>0；

（2）根据已知信息列出三段式，计算平衡时刻各物质的浓度，进而计算平衡常数；

（3）计算此刻反应的浓度商，与平衡常数比较，判断反应进行的方向，从而确定正逆反应速率的大小；

（4）①温度越高，反应速率越快，则达到平衡时间越短，其中只有一个容器中的反应已经达到平衡状态，最有可能是Ⅲ，升温平衡逆向移动，氢气含量最大；

②设反应生成的甲醇为x mol/L，根据已知信息可列出三段式，计算生成的甲醇的浓度，进而利用计算用甲醇表示的化学反应速率；

③该反应为放热反应，温度越低，反应向正方向进行的程度越大，CO转化率越大。

（1）该反应的ΔS>0，已知该反应仅在高温下能自发进行，根据ΔH-TΔS<0反应可自发进行，可知ΔH>0；

故答案为：>；

（2）T ℃时，向2L密闭容器中投入2 mol CH4和1.5mol H2O(g)，发生上述反应，平衡时CH4的转化率为50%，根据已知信息可列出三段式：

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

开始（mol/L）： 1 0.75 0 0
变化（mol/L）： 0.5 0.5 0.5 1.5

平衡（mol/L）： 0.5 0.25 0.5 1.5

则该温度下反应的平衡常数；

故答案为：13.5；

（3）T ℃时，向1 L密闭容器中投入2 mol CH4、1 mol H2O(g)、3 mol CO、2 mol H2，则此刻反应的浓度商<K，则反应向正反应方向进行，v(正)>v(逆)；

故答案为：>；

（4）①三个容器的反应温度分别为Tl、T2、T3且恒定不变，当反应均进行到5min时H2的体积分数如图1所示，温度越高反应速率越快，达到平衡时间越短，其中只有一个容器中的反应已经达到平衡状态，最有可能是Ⅲ，升温平衡逆向移动，氢气含量最大；
故答案为：Ⅲ；

②设反应生成的甲醇为x mol/L，则可列出三段式：
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

开始（mol/L）：0.5 1 0

转化（mol/L）：x 2x x

5min时（mol/L）：0.5-x 1-2x x

到5min时，氢气的体积分数为0.4，则，解得x=，则容器I中用CH3OH

表示的化学反应速率；

故答案为：0.067 mol/（Lmin）；

③该反应为放热反应，温度越低，反应向正方向进行的程度越大，则当三个容器中的反应均达到平衡状态时，Ⅰ中CO转化率最大；

故答案为：Ⅰ。