Question

【题目】随着石油资源的日益枯竭，天然气的廾发利用越来越受到重视。CH4/CO2催化重整制备合成气(CO和H2)是温室气体CO2和CH4资源化利用的重要途径之一，并受了国内外研究人员的高度重视。回答下列问题：

（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催化重整反应为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H

该催化重整反应的△H=______kJ·mol－1。要缩短该反应达到平衡的时间并提高H2的产率可采取的措施为_____。

（2）向2L刚性密闭容器中充入2molCH4和2mol CO2进行催化重整反应，不同温度下平衡体系中CH4和CO的体积分数()随温度变化如下表所示。

已知b>a>c，则T1______T2(填“>”“<”或“=”)。T1下该反应的平衡常数K=_______(mol2·L－2)

（3）实验硏究表明，载体对催化剂性能起着极为重要的作用，在压强0.03MPa，温度750℃条件下，载体对镍基催化剂性能的影响相关数据如下表：

由上表判断，应选择载体为_______(填化学式)，理由是________。

（4）现有温度相同的I、Ⅱ、Ⅲ三个恒压密闭容器，均充入2mol CH4(g)和2 molCO2(g)进行反应，三个容器的反应压强分别为p1atm、p2atm、p3atm，在其他条件相同的情况下，反应均进行到tmin时，CO2的体积分数如图所示，此时I、Ⅱ、Ⅲ个容器中一定处于化学平衡状态的是_______。

（5）利用合成气为原料合成甲醇，其反应为CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)，在一定温度下查得该反应的相关数据如下表所示：

该反应速率的通式为ν正=k正cm(CO)·cn(H2)(k正是与温度有关的速率常数)。由表中数据可确定反应速率的通式中n=____(取正整数)。若该温度下平衡时组别1的产率为25%，则组别1平衡时的v正=______(保留1位小数)。

Answer 1

【答案】+247.1 升高温度 ＜ MgO 此条件下合成气产率高 III 1 0.2mol/（L·min）

【解析】

（1）依据盖斯定律作答；

（2）CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)反应吸热，依据外因对化学反应速率与化学平衡的综合影响来分析；结合表格数据，依据升高温度对物质体积分数的影响效果判断温度高低，再利用甲烷与CO的平衡体积分数相等计算出转化的甲烷的物质的量，列出三段式，根据平衡常数的表达式计算解答；

（3）依据表格数据，选择合成CO和氢气量最多的物质作为载体；

（4）根据温度和压强对平衡的影响，结合平衡状态的特征回答；

（5）结合表格中三组数值，列出三个方程，解方程组即可求出n的值；再列出三段式，分别求出c(CO)与c(H2)的值，带入通式求得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)，则根据盖斯定律可知△H=+205.9 kJ·mol－1-(－41.2 kJ·mol－1)= +247.1 kJ·mol－1，因此该反应为吸热反应，要缩短该反应达到平衡的时间并提高H2的产率可采取的措施为升高温度，

故答案为：+247.1；升高温度；

（2）同一个物质在不同的温度下所占的体积分数不同，因CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) △H=+247.1 kJ·mol－1，该反应为吸热反应，则升高温度则有利用平衡向正反应方向移动，导致CH4的体积分数降低，CO的体积分数升高。已知b>a>c，根据图表信息可知，T1＜T2；T1下该反应的CH4与CO的体积分数均为a，则设CH4转化浓度为x mol/L，

则根据T1下该反应的CH4与CO的体积分数均为a易知，，解得x=，所以平衡常数，

故答案为：＜；；

（3）从表中可以看出，MgO的原料转化率较高，且合成气的产率较高，所以选择MgO作为载体，

故答案为：MgO；此条件下合成气产率高；

（4）由于不能确定容器Ⅱ中二氧化碳的体积分数是否达到最小值，因此不能确定Ⅱ是否达到平衡状态，若未达平衡，压强越高反应逆向移动，相同时间内二氧化碳的含量越高，p3时，二氧化碳Ⅲ的含量比Ⅱ高，故Ⅲ到达平衡，

故答案为：III；

（5）组别1中c(CO)=0.24mol/L，c(H2) =0.48 mol/L，初始速率v正=0.361 mol/（L·min）；则依据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，根据表格数据可得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；则②/①可得2=2n，即n=1；③/①得2=2m，则m=1；带入①得k正=3.134 L /min·mol。若该温度下平衡CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，组别1的产率为25%，设转化的CH4的物质的量浓度为y mol/L，则

则，则y=0.12，则c(CO)=2y=0.24mol/L，c(H2) =2y=0.24 mol/L，k正是与温度有关的速率常数，保持不变，则依据给定公式可得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），

故答案为：1；0.2mol/（L·min）。