Question

【題目】工業(yè)上常用甲烷與水蒸氣的催化重整反應制取水煤氣。T℃時，每生成5.6gCO該反應吸熱40.6kJ。

(1)該反應的熱化學方程式為_____；

(2)該反應的逆反應速率方程為v逆=k逆·cm (CO)·cn (H2)， k逆、m、n需要通過實驗測定。T℃時，測得有關數(shù)據(jù)為：

序號	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

通過計算，k逆的數(shù)值為___，當c(CO)=0.01mol/L、c(H2)=0.03mol/L時，v逆=___________；

(3)在體積為3 L的密閉容器中，加入甲烷和水蒸氣各3 mol，在一定條件下發(fā)生上述反應，測得平衡時H2的體積分數(shù)與溫度、壓強的關系如圖所示，則壓強P1___P2（“＞”、“=”或“＜”）；溫度為T4℃、壓強為P1 MPa時，N點表示的體系狀態(tài)v正_____v逆(填“＞”、“=”或“＜”)；若P1 =5.0×103 MPa，M點表示的體系狀態(tài)CH4的平衡轉化率為_______、壓強平衡常數(shù)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該反應吸熱40.6kJ，則生成28gCO則吸熱40.6kJ×=203 kJ/mol，則熱化學方程式為 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH = +203.0 kJ/mol，

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

(2)根據(jù)速率方程 v逆=k逆cm (CO)·cn (H2)，代入Ⅰ，Ⅲ兩組數(shù)據(jù)，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，則m=1；

代入Ⅱ，Ⅳ兩組數(shù)據(jù)，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，則n=3；

v逆=k逆·cm (CO)·cn (H2)，代入Ⅰ組數(shù)據(jù)，4.80×10－3= k逆0.05m0.02n ，m=1，n=3，則k逆==12000；當c(CO)=0.01mol/L、c(H2)=0.03mol/L時，v逆=k逆·cm (CO)·cn (H2)= 12000×0.01×(0.03)3=3.24×10－3 mol/(L·min)

故答案為：12000，3.24×10－3 mol/(L·min)

(3)主反應為：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)，nH2O:nCH3OH＝1:1的原料氣充入恒容密閉容器中，初始壓強為p1，反應達到平衡時總壓強為p2，CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) 反應為氣體分子數(shù)增多的反應，隨著反應的進行，體系壓強增大，增大壓強不利于反應正向進行，所以壓強p1大于p2，N點時反應尚未達到平衡，反應仍需正向進行，所以v正大于v逆，M點時平衡體系中H2的體積分數(shù)為60%，相同條件下的體積分數(shù)就是物質(zhì)的量分數(shù)
CH4(g)+H2O(g)＝CO(g)+3H2(g)

起始(mol) 3 3 0 0

轉化(mol) x x x 3x

平衡(mol) 3x 3x x 3x

所以有，可得x＝2，所以平衡時c(CH4)的平衡轉化率==66.7%；根據(jù)反應CH4(g)+H2O(g)＝CO(g)+3H2(g)，n(H2O):n(CH4)＝1:1的原料氣充入恒容密閉容器中，CH4(g)+H2O(g)＝CO(g)+3H2(g)，P1 =5.0×103 MPa的恒壓條件下，各物質(zhì)平衡時的物質(zhì)的量分別是CH4 1mol，H2O1mol，CO2mol，H26mol，混合氣體的總物質(zhì)的量為1+1+2+6=10mol，壓強平衡常數(shù)Kp，氣體組分的分壓=總壓強×(氣體組分的物質(zhì)的量/氣體總物質(zhì)的量)，根據(jù)公式KP= = ==×100= p12=×(5.0×103)2=1.08×108 MPa2

故答案為：＞；＜；66.7%；1.08×108 MPa2。