Question

【題目】CH4超干重整CO2技術可得到富含CO的化工原料。回答下列問題：

(1)CH4超干重整CO2的催化轉化如圖所示：

①已知：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H1=+206.2kJ/mol ；

CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g) △H2=-165kJ/mol；

過程I的熱化學方程式為_______。

②關于上述過程II的說法不正確的是______(填字母)。

a．實現了含碳物質與含氫物質的分離 b．可表示為CO2＋H2H2O(g)＋CO c．CO未參與反應 d．Fe3O4、CaO為催化劑，降低了反應的ΔH

③其他條件不變，在不同催化劑(I、II、III)作用下，反應CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)進行相同時間后，CH4的轉化率隨反應溫度的變化如圖所示。a點是否達到平衡狀態？________(填“是”或“否”)；b點CH4的轉化率高于c點，原因是________。

(2)在剛性密閉容器中，加入CH4和CO2，二者分壓分別為20 kPa、25 kPa，加入Ni/α－Al2O3催化劑并加熱至1123 K使其發生反應CH4(g)＋CO2(g) 2CO(g)＋2H2(g)。

①研究表明CO的生成速率v(CO)＝1.3×10-2·p(CH4) ·p(CO2)。（單位忽略），某時刻測得p(CO)＝20 kPa，則p(CO2)＝________kPa，v(CO)＝________（單位忽略）。

②達到平衡后測得體系壓強是起始時的1.8倍，則該反應的平衡常數的計算式為Kp＝________。(用各物質的分壓計算)

Answer 1

【答案】CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g) ΔH＝＋247.4 kJ·mol-1 cd 否 b和c都未達平衡，b點溫度高，反應速率快，相同時間內轉化率高 15 1.95

【解析】

根據蓋斯定律，由已知熱化學方程式求出所求熱化學方程式；由題中圖示可知，過程II的反應分兩步，依據各步反應可判斷；根據催化劑只影響化學反應速率，不影響化學平衡移動，則使用不同的催化劑，達平衡時CH4轉化率是一樣的予以判斷；根據化學平衡“三段式”計算CO2的分壓，v(CO)，Kp的值。

（1）①由題圖可知，過程I發生CH4+CO2 2CO+2H2反應，根據I.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H1=+206.2kJ/mol ；II.CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g) △H2=-165kJ/mol；則I×2+II得：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H=2△H1+△H2=2×206.2kJ/mol+(-165kJ/mol)=+247.4kJ/mol；答案為CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H=+247.4kJ/mol。

②過程Ⅱ的反應第一步是CO+CO2+H2+Fe3O4+CaO→H2O+Fe+CaCO3，第二步反應：Fe+CaCO3+稀有氣體→稀有氣體+Fe3O4+CaO+CO，
a．上述分析可知，兩步反應實現了含碳物質與含氫物質的分離，故a正確；
b．反應過程中有催化劑(Fe3O4、CaO)和中間產物(Fe、CaCO3)，總反應可表示為CO2+H2=H2O (g)+CO，故b正確；
c．CO最后剩余是一氧化碳參與反應過程，最后又生成CO，故c錯誤；
d．Fe3O4、CaO為催化劑，僅改變反應速率不能改變反應的△H，故d錯誤；

答案為cd。

③因為催化劑只改變反應速率不改變平衡移動，所以最終不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達平衡時CH4的轉化率相同，故a點所代表的狀態不是平衡狀態，此時反應一直向正反應方向移動，b和c都沒平衡，b點溫度高，反應速率快，相同時間內轉化率高，所以b點CH4的轉化率高于c點；答案為否，b和c都沒平衡，b點溫度高，反應速率快，相同時間內轉化率高。

（2）①在剛性密閉容器中，CH4和CO2的分壓分別為20kPa、25 kPa，加入Ni/α-A12O3催化劑并加熱至 1123K 使其發生反應：某時刻測得p(CO)=20kPa， 則p(CO2)=15kPa，v(CO)＝1.3×10-2·p(CH4) ·p(CO2)= 1.3×10-2×10×15=1.95；答案為15，1.95。

②達到平衡后測得體系壓強是起始時的1.8倍，設達到平衡狀態消耗甲烷分壓x則=1.8，解得x=18，則該反應的平衡常數的計算式為Kp＝= = ；答案為。