Question

【题目】CO2和甲烷催化合成CO和H2是CO2资源化利用的有效途径。主要反应如下：

Ⅰ：CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g） △H＝+247kJ/mol

（1）已知CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g） △H＝+206 kJ/mol

写出CH4和水蒸气反应生成CO2的热化学方程式：___。

（2）在恒温、恒容的密闭容器中发生反应Ⅰ，下列选项能够说明反应Ⅰ达到平衡状态的是___。

A.混合气体的密度不变

B.混合气体的总压强不变

C.CH4、CO2、CO、H2的物质的量之比为1：1：2：2

D.2v正（H2）＝v逆（CH4）

E.混合气体的平均相对分子质量不变

（3）催化合成的温度通常维持在550﹣750℃之间，从反应速率角度分析其主要原因可能是___。

（4）将CH4与CO2各1mol充入某密闭容器中，发生反应Ⅰ。100kPa时，反应Ⅰ到达平衡时CO2的体积分数与温度的关系曲线如图所示。

①图中A、B、C三点表示不同温度、压强下达到平衡CO2的体积分数，则___点对应的平衡常数最小，判断依据是___；___点对应的压强最大。

②300℃、100kPa下，该容器中反应Ⅰ经过40min达到平衡，计算反应在0﹣40 min内的平均反应速率为v（CO2）＝___mol/min（用分数表示）。

Answer 1

【答案】CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g） △H＝+165kJ/mol BE 在该温度范围内，催化剂的活性较高，反应速率较快 A 反应Ⅰ为吸热反应，温度越低，平衡常数越小 C

【解析】

（1）利用盖斯定律计算焓变；

（2）未达到平衡状态时体系中某些值是不断变化的，当这些值不变时可说明反应达到平衡状态；

（3）催化剂的活性大小是与温度有关；

（4）①平衡常数只与温度有关；

②根据题目所给单位mol/min可知本题中反应速率是指单位时间内物质的量的变化；

（1）由①2CO（g）+2H2 （g）CH4（g）+CO2（g） △H＝﹣247kJ/mol

②2CH4（g）+2H2 O（g）2CO（g）+6H2（g） 2△H＝+2×206kJ/mol

结合盖斯定律可知，①+②得到CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165kJ/mol，故答案为：CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165kJ/mol；

（2）A.该反应反应物和生成物都是气态物质，所以根据质量守恒定律可知气态物质的质量没变，又是恒容，体积没变，则密度是恒定的，故A错误；

B.由于反应前后气体体积不同，所以压强是一个变量，“变量不变”则说明达到了平衡状态，故B正确；

C.平衡状态是物质的量保持不变，不是成比例或者相等，故C错误；

D.达到平衡状态时同一物质的正逆反应速率相等，不同物质的正逆反应速率与化学计量数成正比，应该是v（H2）＝2v（CH4），故D错误；

E.由于根据质量守恒定律可知，气体总质量不变，反应前后气体体积改变，所以混合气体的平均相对分子质量在反应过程中是一个变量，现在保持不变，可以判断达到平衡状态，故E正确；

故答案为：BE；

（3）催化剂的活性大小是与温度有关的，故要想达到使催化剂达到最大活性则需要有适宜温度范围，故答案为：在该温度范围内，催化剂的活性较高，反应速率较快；

（4）①该反应焓变值大于零，为吸热反应，温度升高，向正反应方向移动，平衡常数变大，反之温度越低平衡常数越小，A点温度最低，故A点对应平衡常数最小。该反应的正反应为气体体积增大的反应，温度升高，反应向正向移动，气体体积增大，由于是恒容容器，故气体体积增大，压强也增大，C点温度最高，故C点对应压强最大，故答案为：A；反应Ⅰ为吸热反应，温度越低，平衡常数越小；C；

②由图可知：在300℃、100kPa时二氧化碳的体积分数40%。

设在300℃、100kPa条件下，达到平衡时消耗二氧化碳的物质的量为xmol。

则平衡时，混合气体总的物质的量n（混）＝（1﹣x）+（1﹣x）+2x+2x＝（2+2x）mol

则CO2体积分数＝＝×100%＝40%，可得x＝，则v（CO2）＝＝mol/min＝mol/min。

故答案为：。