Question

【題目】CH4-CO2催化重整時發生反應：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，不僅可以得到合成氣(CO和H2)，還對溫室氣體的減排具有重要意義。回答下列問題：

（1）某溫度下，向1L的密閉容器中充入0.2molCH4與0.1molCO2，發生CH4-CO2催化重整反應，10min時達到平衡，測得平衡混合物中CO(g)的體積分數為20%，則用CH4表示的反應速率為______，CO2的平衡轉化率為______。

（2）若CO2的平衡轉化率(a)與溫度(T)、壓強(p)的關系如圖所示。由圖可知：壓強p1______p2（選填“＞“、“＜“或“=”），理由是______。

（3）在一定溫度下，向固定容積為2L的密閉容器中充入0.1moCH4與0.1mo1CO2發生CH4-CO2催化重整反應，達平衡時CO2的平衡轉化率為50%，則此條件下該反應的平衡常數為K=______；平衡后保持溫度不變，若再充入0.15molCH4、0.15molCO2、0.1molCO、0.1molH2，則此時v正______（選填“＞”、“＜”或“=”）v逆。

（4）已知：C(s)+2H2(g)＝CH4(g)△H1=-75 kJmol-1

C(s)+O2(g)＝CO2(g)△H2=-394 kJmol-1

C(s)+O2(g)＝CO(g)△H3=-111 kJmol-1

①催化重整反應CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的△H=______kJmol-1。

②反應中催化劑活性會因積碳反應而降低，同時存在的消碳反應則使積碳量減少。相關數據如下表：

	積碳反應CH4(g)＝C(s)+2H2(g)		消碳反應CO2(g)+C(s)＝CO(g)
△H/(kJmol-1)	75		172
活化能/(kJmol-1)	催化劑X	33	91
	催化劑Y	43	72

由上表判斷，催化劑X______Y（填“優于”或“劣于”），理由是______。

Answer 1

【答案】 37.5% ＜ 當溫度一定時，壓強越大，平衡向逆反應方向移動，CO2的平衡轉化率越小，圖中壓強p1對應的轉化率大于p2，則壓強p1＜p2 6.25×10-4 ＜ +247 劣于 相對于催化劑X，催化劑Y積碳反應的活化能大，積碳反應的速率小，而消碳反應活化能相對小，消碳反應速率大

【解析】

（1）發生的反應為：

平衡化合物中CO的體積分數為20%，所以，解得，所以用CH4表示的反應速率為，CO2的平衡轉化率；

（2）隨著反應進行，氣體分子數增多，體系壓強增大，減壓有利于反應正向進行，說明較低的壓強對應較高的平衡轉化率，所以p1＜p2；

（3）發生的反應為：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，平衡時CO2的平衡轉化率為50%，

，平衡后保持溫度不變，若再充入0.15molCH4、0.15molCO2、0.1molCO、0.1molH2，則，所以反應逆向進行，v正＜v逆；

（4）①CH4-CO2催化重整反應的化學方程式為CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，

①C(s)+2H2(g)＝CH4(g)△H1=-75 kJmol-1

②C(s)+O2(g)＝CO2(g)△H2=-394 kJmol-1

③C(s)+O2(g)＝CO(g)△H3=-111 kJmol-1

根據蓋斯定律③×2-①-②計算CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的焓變△H=(-111 kJmol-1)×2-(-75 kJmol-1)-(-394 kJmol-1)=+247kJ/mol；

②消碳反應所需活化能越低，消碳反應越容易進行，催化劑活性越好，根據表中數據知，催化劑X較催化劑Y，積碳反應時，活化能低，反應速率快，消碳反應時，活化能高，反應速率慢，綜合考慮，催化劑X較催化劑Y更利于積碳反應，不利于消碳反應，會降低催化劑活性。