Question

CH₄-CO₂催化重整不仅可以得到合成气(CO和H₂)，还对温室气体的减排具有重要意义。

已知：CH₄(g)+O₂(g)＝CO₂(g)+2H₂(g)ΔH=-319kJ·mol⁻¹

CO(g)+1/2O₂(g)=CO₂(g)ΔH=-283kJ·mol⁻¹

回答下列问题：

(1)写出CH₄-CO₂催化重整反应的热化学方程式：_______________________________。

(2)某温度下，向密闭容器中充入CH₄与CO₂，发生CH₄-CO₂催化重整反应。测得平衡混合物中CO(g)的体积分数[φ(CO)]与起始投料比Z[Z=n(CH₄)/n(CO₂)]的关系如图所示；

①当Z=2时，CO₂的平衡转化率ɑ=__________%。

②当Z=3时，反应达到平衡状态后，CO的体积分数可能是图1中的_________点(填“C”、“D”或“E”)。

(3)若CO₂的平衡转化率(a)与温度(T)、压强(p)的关系如图所示。

①由图可知压强p₁__________p₂(选填“>”、“<“或“=”)；

②在温度为T₅℃，压强为P₁条件下，向2L密闭容器中充入1molCH₄与1molCO₂发生CH₄-CO₂催化重整反应，则此条件下该反应的平衡常数为：_____________________；达平衡后若再充入1.5molCH₄、1.5molCO₂、1molCO、1molH₂，则此时v_正_______v_逆(选填“>”、“<“或“=”)；在该条件下，以下能说明该反应已达平衡的是________________。

A．CH₄与CO₂的物质的量比为1：1

B．氢气的体积分数不变

C．混合气体的平均摩尔质量保持不变

D．当消耗1mol的CO₂同时，有2mol的CO生成

Answer

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H＝+247 kJ·mol−1 37.5 E < 1 = BC

【解析】

(1)根据盖斯定律计算；

(2) ①列出三行式，找出各量，利用已知条件，列方程求解；

②反应物按方程式中各物质的化学计量数比投料时产物的体积分数最大。

(3)①其他条件相同时，压强越大CO2的平衡转化率(a)越小；

②列出三行式，依据三行式计算比较；可逆反应达到平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明达到平衡。

(1)已知①CH4(g) +O2(g) ＝CO2(g) +2H2(g)   ΔH=-319 kJ·mol−1

②CO(g) +1/2O2(g) = CO2(g)     ΔH=-283 kJ·mol−1

根据盖斯定律可知①-②2即得到催化重整反应：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) 的△H＝（-319 kJ·mol−1）-（-283 kJ·mol−1 ）2=+247 kJ·mol−1 ；

故答案为：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H＝+247 kJ·mol−1；

(2)①n(CH4 )/n(CO2 )=2，若设n(CH4)=2amol，则n(CO2)=amol，转化的CO2的物质的量为xmol，

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始（mol） 2a a 0 0

转化（mol） x x 2x 2x

平衡（mol）2a-x a-x 2x 2x

由图可知，达到平衡状态时，CO的体积分数为20%，则100%=20%，解得x=，

则CO2的平衡转化率ɑ=100%=37.5%；

②反应物按方程式中各物质的化学计量数比投料时产物的体积分数最大，否则都会使体积分数减小，故应选E点；

故答案为：37.5 ；E；

(3)①在相同温度下，增大压强，平衡向逆反应方向移动，CO2的平衡转化率(a)降低，由图可知，压强p1 < p2；

②在温度为T5℃，压强为P1条件下，由图可知，CO2的平衡转化率(a)为0.5，则，

CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)

起始（mol） 1 1 0 0

转化（mol） 0.5 0.5 1 1

平衡（mol） 0.5 0.5 1 1

CH4、CO2、 CO、H2平衡时的浓度分别为：0.25mol/L、0.25mol/L、0.5mol/L、0.5mol/L，

则此条件下该反应的平衡常数为K===1；

达平衡后若再充入1.5mol CH4 、1.5mol CO2、 1mol CO、1mol H2，

此时CH4、CO2、 CO、H2的浓度分别为：1mol/L、1mol/L、1mol/L、1mol/L，

浓度商Qc===1=K，说明处于平衡状态，则此时v正 =v逆；

A．CH4与CO2的起始量和转化量的物质的量比均为1：1，所以比值始终不变，不能说明该反应已达平衡，故不选A；

B．氢气的体积分数不变，则各物质的含量都保持不变，能说明该反应已达平衡，故选B；

C．该反应前后混合气体的总质量不变，物质的量发生改变，根据M=，若混合气体的平均摩尔质量保持不变，则能说明该反应已达平衡，故选C；

D．由方程式可知，当消耗1mol的CO2时，必然生成2mol的CO，不能说明该反应已达平衡，故不选D；故选BC。

故答案为：< ；1；= ；BC。