Question

【題目】CO2和甲烷催化合成CO和H2是CO2資源化利用的有效途徑。主要反應為

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

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

寫出CH4和水蒸氣反應生成CO2的熱化學方程式_________。

（2）在恒溫、恒容的密閉容器中發生反應I，下列選項能夠說明反應I達到平衡狀態的是______。

A.混合氣體的密度不變

B.混合氣體的總壓強不變

C.CH4、CO2、CO、H2的物質的量之比為1:1:2:2

D.3V正(H2)=V逆(CH4)

E.混合氣體的平均相對分子質量不變

（3）催化合成的溫度通常維持在550-750℃之間，從反應速率角度分析其主要原因可能是_________。

（4）將CH4與CO2各1mol充入某密閉容器中，發生反應I。100Kpa時，反應I到達平衡時CO2的體積分數與溫度的關系曲線如圖所示。

①圖中A、B、C三點表示不同溫度、壓強下達到平衡時CO2的體積分數，則______點對應的平衡常數最小，判斷依據是________；__________點對應的壓強最大。

②300℃，100Kpa下，該容器中反應I經過40min達到平衡，計算反應在0-40min內的平均反應速率為v(CO2)=_________mol/min（結果保留兩位有效數字），該溫度下的壓強平衡常數Kp=________。

（用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165kJ/mol BE 在該溫度范圍內，催化劑的活性較大，反應速率快（合理即給分） A 反應I吸熱反應，溫度降低，平衡常數減小 C 2.8×10-3 6.25KPa2

【解析】（1）已知：①CH4(g)+H2O(g) CO(g)+H2(g) △H=+206kJ/mol

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

根據蓋斯定律可知①×2－②即得到CH4和水蒸氣反應生成CO2的熱化學方程式為CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) ΔH=+165kJ/mol。（2）A. 密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中質量和容積始終是不變的，因此混合氣體的密度不變不能說明，A錯誤；B.正反應體積增大，則混合氣體的總壓強不變說明反應達到平衡狀態，B正確；C.CH4、CO2、CO、H2的物質的量之比為1:1:2:2不能說明正逆反應速率相等，則不一定處于平衡狀態，C錯誤；D.3V正(H2)=V逆(CH4)不能滿足反應速率之比是化學計量數之比，沒有達到平衡狀態，D錯誤；E. 混合氣的平均相對分子質量是混合氣的質量和混合氣的總的物質的量的比值，質量不變，但物質的量是變化的，所以混合氣體的平均相對分子質量不變說明反應達到平衡狀態，E正確；答案選BE；（3）催化劑的活性受溫度影響較大，因此主要原因可能是在該溫度范圍內，催化劑的活性較大，反應速率快。（4）①由于反應I吸熱反應，溫度降低，平衡常數減小，所以A點對應的平衡常數最小；C點溫度最高，反應物轉化率最大，由于正反應體積增大，則C點對應的壓強最大。②根據方程式可知：

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

起始量（mol）1 1 0 0

轉化量（mol）x x 2x 2x

平衡量（mol）1－x 1－x 2x 2x

300℃，100Kpa下平衡時CO2體積分數是0.4，則，解得x＝1/9，則在0-40min內的平均反應速率為v(CO2)=1/(9×40)＝2.8×10-3mol/min，該溫度下的壓強平衡常數Kp=＝6.25KPa2。