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。主要反應如下：

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

（1）已知CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g） △H＝+206 kJ/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.2v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0﹣40 min內的平均反應速率為v（CO2）＝___mol/min（用分數表示）。

Answer 1

【答案】CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g） △H＝+165kJ/mol BE 在該溫度范圍內，催化劑的活性較高，反應速率較快 A 反應Ⅰ為吸熱反應，溫度越低，平衡常數越小 C

【解析】

（1）利用蓋斯定律計算焓變；

（2）未達到平衡狀態時體系中某些值是不斷變化的，當這些值不變時可說明反應達到平衡狀態；

（3）催化劑的活性大小是與溫度有關；

（4）①平衡常數只與溫度有關；

②根據題目所給單位mol/min可知本題中反應速率是指單位時間內物質的量的變化；

（1）由①2CO（g）+2H2 （g）CH4（g）+CO2（g） △H＝﹣247kJ/mol

②2CH4（g）+2H2 O（g）2CO（g）+6H2（g） 2△H＝+2×206kJ/mol

結合蓋斯定律可知，①+②得到CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165kJ/mol，故答案為：CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165kJ/mol；

（2）A.該反應反應物和生成物都是氣態物質，所以根據質量守恒定律可知氣態物質的質量沒變，又是恒容，體積沒變，則密度是恒定的，故A錯誤；

B.由于反應前后氣體體積不同，所以壓強是一個變量，“變量不變”則說明達到了平衡狀態，故B正確；

C.平衡狀態是物質的量保持不變，不是成比例或者相等，故C錯誤；

D.達到平衡狀態時同一物質的正逆反應速率相等，不同物質的正逆反應速率與化學計量數成正比，應該是v（H2）＝2v（CH4），故D錯誤；

E.由于根據質量守恒定律可知，氣體總質量不變，反應前后氣體體積改變，所以混合氣體的平均相對分子質量在反應過程中是一個變量，現在保持不變，可以判斷達到平衡狀態，故E正確；

故答案為：BE；

（3）催化劑的活性大小是與溫度有關的，故要想達到使催化劑達到最大活性則需要有適宜溫度范圍，故答案為：在該溫度范圍內，催化劑的活性較高，反應速率較快；

（4）①該反應焓變值大于零，為吸熱反應，溫度升高，向正反應方向移動，平衡常數變大，反之溫度越低平衡常數越小，A點溫度最低，故A點對應平衡常數最小。該反應的正反應為氣體體積增大的反應，溫度升高，反應向正向移動，氣體體積增大，由于是恒容容器，故氣體體積增大，壓強也增大，C點溫度最高，故C點對應壓強最大，故答案為：A；反應Ⅰ為吸熱反應，溫度越低，平衡常數越�。�C；

②由圖可知：在300℃、100kPa時二氧化碳的體積分數40%。

設在300℃、100kPa條件下，達到平衡時消耗二氧化碳的物質的量為xmol。

則平衡時，混合氣體總的物質的量n（混）＝（1﹣x）+（1﹣x）+2x+2x＝（2+2x）mol

則CO2體積分數＝＝×100%＝40%，可得x＝，則v（CO2）＝＝mol/min＝mol/min。

故答案為：。