Question

合成气(CO+H₂)可利用甲烷与水蒸气重整反应制得。

(1)已知：①H₂(g)+O₂(g)=H₂O(g)    △H₁=-242kJ•mol^-1

②2CO(g)+O₂(g)=2CO₂(g)    △H₂=-576kJ•mol^-1

③CH₄(g)+2O₂(g)=CO₂(g)+2H₂O(g)    △H₃=-802.6KJ•mo1^-1

则甲烷和水蒸气重整反应CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)△H₄=____。该反应的活化能E₁=240.1kJ•mol^-1，则逆反应的活化能E₂=____。

(2)重整反应中CH₄的平衡转化率与温度、压强关系[其中n(CH₄)：n(H₂O)=1：1]如图1所示。

①图中A点的平衡常数K_P=___(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)，比较A、B、C三点的平衡常数K_p(A)、K_P(B)、K_P(C)由大到小的顺序为___。

②图中压强P₁、P₂、P₃由大到小的顺序为___，理由是____。

(3)在恒容密闭容器中充入2mol的CH₄和H₂O(曲混合气体，且CH₄和H₂O(g)的物质的量之比为x，相同温度下测得H₂平衡产率与x的关系如图2所示。请比较a、b两点CH₄的转化率a点___b点(填“＞”、“＜”、“=”下同)，a点c(CH₄)___b点c[H₂O(g)]。当x=1时，下列叙述正确的是____(填序号)。

A．平衡常数K最大      B．CH₄的转化率最大

C．氢气的产率最大      D．合成气的浓度最大

Answer

+211.4kJ•mol-1 28.7kJ•mol-1 Kp（C）＞Kp（B）＞Kp（A） P3＞P2＞P1 其他条件不变时，压强增大，平衡左移，甲烷的转化率减小 ＞ = CD

【解析】

(1)根据盖斯定律计算；正反应为吸热反应，正反应活化能等于逆反应活化能与反应热之和；
(2)用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数，平衡常数Kp等于生成物分压幂之积与反应物分压幂之积比值；
反应CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)为放热反应，温度越高，平衡常数越大；
②CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)是气体体积增大的反应，由图知温度不变时压强P1、P2、P3下甲烷转化率逐渐减小；
(3)两种反应物存在，增加其中一种反应物的量，能使另一种反应物的转化率提高。

(1)(1)已知：①H2(g)+O2(g)=H2O(g)△H1=-242kJ•mol-1

②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)△H2=-576kJ•mol-1

③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)△H3=-802.6KJ•mo1-1

由③-①×3-②×得CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)△H4=△H3-△H1×3-△H2×=+211.4kJ•mol-1。

正反应活化能等于逆反应活化能与反应热之和，逆反应的活化能E2=E1-△H4=240.1kJ•mol-1-211.4kJ•mol-1=28.7kJ•mol-1，故答案为：+211.4kJ•mol-1；28.7kJ•mol-1；

(2)①假设甲烷有1mol，水蒸气有1mol，则

平衡后混合气体的总量：(0.8+0.8+0.2+0.6)mol=2.4mol，P(CH4)=P(H2O)=×4.0MPa=Mpa，P(CO)=×4.0MPa=Mpa，P(H2)=×4.0MPa=1Mpa，A点的平衡常数Kp=；

反应CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)为放热反应，温度升高，平衡右移，平衡常数增大，由图知，ABC三点温度依次升高，故平衡常数大小关系为Kp(C)＞Kp(B)＞Kp(A)，

故答案为：；Kp(C)＞Kp(B)＞Kp(A)；

②CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)是气体体积增大的反应，增大压强，平衡左移，甲烷转化率减小，由图知温度不变时压强P1、P2、P3下甲烷转化率逐渐减小，所以压强P1、P2、P3由大到小的顺序为P3＞P2＞P1，故答案为：P3＞P2＞P1；其他条件不变时，压强增大，平衡左移，甲烷的转化率减小；

(3)两种反应物存在，增加其中一种反应物的量，能使另一种反应物的转化率提高，a点H2O的含量相对较大，所以a点CH4的转化率更高；根据反应方程式分析，CH4和H2O是按照1：1反应的，a点CH4和H2O的物质的量之比为9：11，b点CH4和H2O的物质的量之比为11：9，所以二者平衡时a点CH4的浓度等于b点H2O(g)的浓度；

A．平衡常数K只与温度有关，温度不变，K不变，故A错误；

B．H2O(g)浓度越大，X越小，CH4的转化率越大，故C错误；

C．由图知当x=1时，氢气的产率最大，故C正确；

D．当x=1时，合成气的浓度最大，故D正确。故答案为：＞；=；CD。