Question

【題目】CO和H2在工業上常作為重要的化工原料，其混合氣稱為合成氣。工業上CH4—H2O催化重整是目前大規模制取合成氣的重要方法，其原理為：

反應Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1=+210 kJ/mol

反應Ⅱ：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2=﹣41 kJ/mol

(1)CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) H3=____ kJ/mol。

(2)反應Ⅰ達到平衡的標志是_____。

A．恒溫恒容情況下，壓強不再改變　　B．v正(CO)=3v逆(H2)

C．平均相對分子質量不再改變　　　　D．恒溫恒容情況下，氣體密度不再改變

(3)若容器容積不變，不考慮反應Ⅰ，對反應Ⅱ下列措施可增加CO轉化率的是____。

A．升高溫度　　　　　　　　　　　　　B．將CO2從體系分離

C．充入He，使體系總壓強增大　　　　　D．按原投料比加倍投料

(4)將1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)加入恒溫恒壓的密閉容器中(溫度298 K、壓強100 kPa)，發生反應Ⅰ，不考慮反應Ⅱ的發生，該反應中，正反應速率v正=k正×p(CH4)×p(H2O)，逆反應速率v逆=k逆×p(CO)×p3(H2)，其中k正、k逆為速率常數，p為分壓(分壓=總壓×物質的量分數)，則該反應的壓強平衡常數Kp=___(以k正、k逆表示)。若該條件下k正=4.4×104kPa-1·s-1，當CH4分解20%時，v正=__kPa·s-1（保留兩位有效數字）。

Answer 1

【答案】+169 AC B 4.9×107

【解析】

(1)根據蓋斯定律，將已知熱化學方程式疊加，可得待求反應的熱化學方程式；

(2)當反應達到平衡時，任何一種物質的物質的量、濃度、密度等保持不變，據此判斷；

(3)若提高CO的平衡轉化率，則應該使化學平衡正向移動；

(4)根據平衡時v正= v逆計算化學平衡常數；根據CH4分解20%計算平衡時各種氣體的物質的量得到氣體的分壓，帶入速率公式計算。

(1)已知：反應Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1=+210 kJ/mol

反應Ⅱ：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2=﹣41 kJ/mol，

根據蓋斯定律，將I+II，整理可得：CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) H3=+169 kJ/mol；

(2)對于反應Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1=+210 kJ/mol，該反應的正反應為氣體體積增大的吸熱反應。

A．恒溫恒容情況下，若壓強不再改變，說明氣體的物質的量不變，反應達到平衡狀態，A正確；

B．在任何條件下，3v正(CO)=v正(H2)，若v正(CO)=3v逆(H2)，則v正(H2)=9v逆(H2)，反應正向進行，未達到平衡狀態，B錯誤；

C．反應前后氣體的質量不變，若平均相對分子質量不再改變，說明氣體的物質的量不再發生變化，反應達到了平衡狀態，C正確；

D．反應前后氣體的質量不變，容器的容積不變，則氣體密度始終不變，因此不能據此判斷反應是否處于平衡狀態，D錯誤；

故合理選項是AC；

(3)對于反應II：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2=﹣41 kJ/mol，該反應的正反應是氣體體積不變的放熱反應

A．升高溫度，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，CO的轉化率降低，A不符合題意；

B．將CO2從體系分離，即減小生成物濃度，平衡正向移動，達到平衡時CO的轉化率提高，B符合題意；

C．充入He，反應體系總壓強增大，由于該反應是反應前后氣體體積不變的反應，因此增大壓強，化學平衡不移動，CO轉化率不變，C不符合題意；

D．按原投料比加倍投料，即增大壓強，化學平衡不移動，物質轉化率不變，D不符合題意；

故合理選項是B；

(4)對于反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)，由于v正=k正×p(CH4)×p(H2O)，v逆=k逆×p(CO)×p3(H2)，當反應達到平衡時，v正= v逆，則k正×p(CH4)×p(H2O)=k逆×p(CO)×p3(H2)，，該反應的壓強平衡常數Kp==；

將1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)加入恒溫恒壓的密閉容器中，發生該反應，若CH4分解20%，此時各種氣體的物質的量為n(CH4)=n(H2O)=(1-20%)mol=0.8 mol，n(CO)=0.2 mol，n(H2)=0.6 mol，氣體總物質的量為n(總)=0.8 mol+0.8 mol+0.2 mol+0.6 mol=2.8 mol。在恒溫恒壓下，氣體的物質的量比等于氣體的壓強之比，所以平衡時各種氣體所占分壓：p(CH4)=p(H2O)=；p(CO)=；p(H2)=，氣體總壓強為100 kPa，根據此時k正=4.4×104kPa-1·s-1，則該條件下正反應速率v正=k正×p(CH4)×p(H2O)=4.4×104 kPa-1·s-1×(×100 kPa)×(×100 kPa)= 4.9×107 kPa·s-1。