Question

3．甲烷水蒸氣重整制合成氣是利用甲烷資源的途徑之一，該過程的主要反應是
反應①：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0
（1）已知：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802kJ•mol^-1
CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
則反應①的△H=△H₁-△H₂-3×△H₃（用△H₁、△H₂和△H₃表示）．
（2）其他條件相同，反應①在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應相同時間后，CH₄的轉化率隨反應溫度的變化如圖1所示．

①在相同條件下，三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ．
②a點所代表的狀態不是（填“是”或“不是”）平衡狀態．
③c點CH₄的轉化率高于b點，原因是b和c都沒平衡，c點溫度高，反應速率快，相同時間內轉化率高．
（3）反應①在恒容密閉反應器中進行，CH₄和H₂O的起始物質的量之比為1：2，10h后CH₄的轉化率為80%，并測得c（H₂O）=0.132mol•L^-1，計算0～10h內消耗CH₄的平均反應速率（寫出計算過程，結果保留2位有效數字）．
（4）在如圖2的坐標圖中，畫出反應①分別在700℃和850℃下進行時，CH₄的轉化率隨時間t變化的示意圖（進行必要標注）．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
利用蓋斯定律將①-②-3×③可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）的反應熱；
（2）根據圖象，反應①在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應相同時間后，CH₄的轉化率為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，結合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；
（3）依據化學平衡的三段式結合平均反應速率V=$\frac{△c}{△t}$列式計算；
（4）CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0，根據溫度減小反應速率減小及達到平衡時CH₄的轉化率減小，據此畫出在700℃和850℃下進行時，CH₄的轉化率隨時間t變化的示意圖．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
利用蓋斯定律將①-②-3×③可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
△H=△H₁-△H₂-3×△H₃，
故答案為：△H₁-△H₂-3×△H₃；
（2）①根據圖象，反應①在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應相同時間后，CH₄的轉化率為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，所以三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，故答案為：Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ；
②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，
故答案為：不是；
③此時反應一直向正反應方向移動，b和c都沒平衡，c點溫度高，反應速率快，相同時間內轉化率高，所以c點CH₄的轉化率高于b點，
故答案為：b和c都沒平衡，c點溫度高，反應速率快，相同時間內轉化率高；
（3）依據化學平衡的三段式列式計算，設CH₄與H₂O（g）物質的量為a，2a；
                             CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol•L^-1）    a            2a                 0             0
變化量（mol•L^-1）   2a-0.132  2a-0.132  2a-0.132  6a-0.396
平衡量（mol•L^-1）   0.132-a  0.132    2a-0.132  6a-0.396
10h后CH₄的轉化率為80%，則$\frac{2a-0.132}{a}$=80%，解得a=0.11，所以0～10h內消耗CH₄的平均反應速率V=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{（2×0.11-0.132）mol/L}{10h}$=8.8×10^-3mol/（L•h），
答：0～10h內消耗CH₄的平均反應速率為8.8×10^-3mol/（L•h）；
（4）700℃時化學反應速率比850℃的小，曲線斜率則700℃小，達到平衡需要的時間長，由于該反應為吸熱反應，溫度降低，CH₄的轉化率也減小，所以達到平衡時700℃時CH₄的轉化率比850℃的小，據此畫出700℃時CO₂的轉化率隨時間變化的示意圖為，
故答案為：．

點評 本題考查較為綜合，涉及蓋斯定律的應用及其化學平衡的影響因素、化學平衡的計算，為高考常見題型，題目難度中等，注意明確化學平衡的影響因素，掌握利用三段式進行化學平衡的計算方法．