Question

【題目】隨著石油資源的日益枯竭，天然氣的廾發(fā)利用越來(lái)越受到重視。CH4/CO2催化重整制備合成氣(CO和H2)是溫室氣體CO2和CH4資源化利用的重要途徑之一，并受了國(guó)內(nèi)外研究人員的高度重視。回答下列問(wèn)題：

（1）已知：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ·mol－1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=－41.2 kJ·mol－1

CH4/CO2催化重整反應(yīng)為CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H

該催化重整反應(yīng)的△H=______kJ·mol－1。要縮短該反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間并提高H2的產(chǎn)率可采取的措施為_____。

（2）向2L剛性密閉容器中充入2molCH4和2mol CO2進(jìn)行催化重整反應(yīng)，不同溫度下平衡體系中CH4和CO的體積分?jǐn)?shù)()隨溫度變化如下表所示。

已知b>a>c，則T1______T2(填“>”“<”或“=”)。T1下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=_______(mol2·L－2)

（3）實(shí)驗(yàn)硏究表明，載體對(duì)催化劑性能起著極為重要的作用，在壓強(qiáng)0.03MPa，溫度750℃條件下，載體對(duì)鎳基催化劑性能的影響相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

由上表判斷，應(yīng)選擇載體為_______(填化學(xué)式)，理由是________。

（4）現(xiàn)有溫度相同的I、Ⅱ、Ⅲ三個(gè)恒壓密閉容器，均充入2mol CH4(g)和2 molCO2(g)進(jìn)行反應(yīng)，三個(gè)容器的反應(yīng)壓強(qiáng)分別為p1atm、p2atm、p3atm，在其他條件相同的情況下，反應(yīng)均進(jìn)行到tmin時(shí)，CO2的體積分?jǐn)?shù)如圖所示，此時(shí)I、Ⅱ、Ⅲ個(gè)容器中一定處于化學(xué)平衡狀態(tài)的是_______。

（5）利用合成氣為原料合成甲醇，其反應(yīng)為CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在一定溫度下查得該反應(yīng)的相關(guān)數(shù)據(jù)如下表所示：

該反應(yīng)速率的通式為ν正=k正cm(CO)·cn(H2)(k正是與溫度有關(guān)的速率常數(shù))。由表中數(shù)據(jù)可確定反應(yīng)速率的通式中n=____(取正整數(shù))。若該溫度下平衡時(shí)組別1的產(chǎn)率為25%，則組別1平衡時(shí)的v正=______(保留1位小數(shù))。

Answer 1

【答案】+247.1 升高溫度 ＜ MgO 此條件下合成氣產(chǎn)率高 III 1 0.2mol/（L·min）

【解析】

（1）依據(jù)蓋斯定律作答；

（2）CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)反應(yīng)吸熱，依據(jù)外因?qū)�化學(xué)反應(yīng)速率與化學(xué)平衡的綜合影響來(lái)分析；結(jié)合表格數(shù)據(jù)，依據(jù)升高溫度對(duì)物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)的影響效果判斷溫度高低，再利用甲烷與CO的平衡體積分?jǐn)?shù)相等計(jì)算出轉(zhuǎn)化的甲烷的物質(zhì)的量，列出三段式，根據(jù)平衡常數(shù)的表達(dá)式計(jì)算解答；

（3）依據(jù)表格數(shù)據(jù)，選擇合成CO和氫氣量最多的物質(zhì)作為載體；

（4）根據(jù)溫度和壓強(qiáng)對(duì)平衡的影響，結(jié)合平衡狀態(tài)的特征回答；

（5）結(jié)合表格中三組數(shù)值，列出三個(gè)方程，解方程組即可求出n的值；再列出三段式，分別求出c(CO)與c(H2)的值，帶入通式求得v正。

（1）①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+205.9 kJ·mol－1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=－41.2 kJ·mol－1

①-②可得到CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，則根據(jù)蓋斯定律可知△H=+205.9 kJ·mol－1-(－41.2 kJ·mol－1)= +247.1 kJ·mol－1，因此該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，要縮短該反應(yīng)達(dá)到平衡的時(shí)間并提高H2的產(chǎn)率可采取的措施為升高溫度，

故答案為：+247.1；升高溫度；

（2）同一個(gè)物質(zhì)在不同的溫度下所占的體積分?jǐn)?shù)不同，因CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+247.1 kJ·mol－1，該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則升高溫度則有利用平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致CH4的體積分?jǐn)?shù)降低，CO的體積分?jǐn)?shù)升高。已知b>a>c，根據(jù)圖表信息可知，T1＜T2；T1下該反應(yīng)的CH4與CO的體積分?jǐn)?shù)均為a，則設(shè)CH4轉(zhuǎn)化濃度為x mol/L，

則根據(jù)T1下該反應(yīng)的CH4與CO的體積分?jǐn)?shù)均為a易知，，解得x=，所以平衡常數(shù)，

故答案為：＜；；

（3）從表中可以看出，MgO的原料轉(zhuǎn)化率較高，且合成氣的產(chǎn)率較高，所以選擇MgO作為載體，

故答案為：MgO；此條件下合成氣產(chǎn)率高；

（4）由于不能確定容器Ⅱ中二氧化碳的體積分?jǐn)?shù)是否達(dá)到最小值，因此不能確定Ⅱ是否達(dá)到平衡狀態(tài)，若未達(dá)平衡，壓強(qiáng)越高反應(yīng)逆向移動(dòng)，相同時(shí)間內(nèi)二氧化碳的含量越高，p3時(shí)，二氧化碳Ⅲ的含量比Ⅱ高，故Ⅲ到達(dá)平衡，

故答案為：III；

（5）組別1中c(CO)=0.24mol/L，c(H2) =0.48 mol/L，初始速率v正=0.361 mol/（L·min）；則依據(jù)ν正=k正cm(CO)·cn(H2)可知，①0.361 mol/（L·min）=k正×(0.24 mol/L)m×(0.48 mol/L)n；同理，根據(jù)表格數(shù)據(jù)可得②0.720 mol/（L·min）=k正×(0.24 mol/L)m×(0.96 mol/L)n；③0.719 mol/（L·min）=k正×(0.48 mol/L)m×(0.48 mol/L)n；則②/①可得2=2n，即n=1；③/①得2=2m，則m=1；帶入①得k正=3.134 L /min·mol。若該溫度下平衡CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，組別1的產(chǎn)率為25%，設(shè)轉(zhuǎn)化的CH4的物質(zhì)的量濃度為y mol/L，則

則，則y=0.12，則c(CO)=2y=0.24mol/L，c(H2) =2y=0.24 mol/L，k正是與溫度有關(guān)的速率常數(shù)，保持不變，則依據(jù)給定公式可得ν正=k正c(CO)·c(H2)= 3.134 L /min·mol×0.24mol/L×0.24mol/L=0.1800.2 mol/（L·min），

故答案為：1；0.2mol/（L·min）。