Question

（16分）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) ΔH > 0

（1）已知：

CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O(g) ΔH1 = －802 kJ·mol-1

CO(g) + 1/2O2(g) = CO2(g) ΔH2 = －283 kJ·mol-1

H2(g) + 1/2O2(g) = H2O(g) ΔH3 = －242 kJ·mol-1

則反應①的ΔH =_________（用ΔH1、ΔH2和ΔH3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________。

②a點所代表的狀態(tài)________（填“是”或“不是”）平衡狀態(tài)。

③c點CH4的轉化率高于b點，原因是________。

（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︰2，10 h后CH4的轉化率為80％，并測得c(H2O)＝0.132 mol·L－1，計算0～10 h內(nèi)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(shù)字）。

（4）在答題卡的坐標圖中，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

（1）ΔH1—ΔH2—3ΔH3 （2）①Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ ②不是

③b、c點均未達到平衡狀態(tài)，c點溫度高，反應速率較快，故CH4的轉化率較大

（3）8.8×10—3mol/(L·h)

（4）

【解析】

試題分析：（1）已知：①CH4(g) + 2O2(g)＝CO2(g) + 2H2O(g) ΔH1 ＝－802 kJ·mol-1，②CO(g) + 1/2O2(g)＝CO2(g) ΔH2＝－283 kJ·mol-1，③H2(g) + 1/2O2(g) ＝H2O(g) ΔH3＝－242 kJ·mol-1，則根據(jù)蓋斯定律可知①—②—3×③均得到CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) ΔH＝ΔH1—ΔH2—3ΔH3。

（2）① 根據(jù)圖像可知在相同條件下，曲線I中甲烷的轉化率最高，其次是Ⅱ、Ⅲ，則三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。

②由于催化劑不能改變平衡狀態(tài)，則使用不同的催化劑時甲烷的轉化率在平衡時應該是相等的，則a點所代表的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)。

③由于b、c點均未達到平衡狀態(tài)，c點溫度高，反應速率較快，故c點CH4的轉化率高于b點。

（3）設甲烷和水蒸氣的起始物質的量分別為x和2x，容器體積為V，則

CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)

起始量（mol） x 2x 0 0

轉化率（mol） 0.8x 0.8x 0.8x 0.8x

平衡量（mol） 0.2x 1.2x 0.8x 0.8x

則1.2x＝0.132V

解得x＝0.11Vmol

所以甲烷的反應速率為＝0.8×0.11V/10V＝8.8×10—3mol/(L·h)

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︰2，10 h后CH4的轉化率為80％，并測得c(H2O) = 0.132 mol·L－1，計算0～10 h內(nèi)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(shù)字）。

（4）根據(jù)（1）中分析可知該反應是吸熱反應，升高溫度甲烷的轉化率增大，則反應①分別在700℃和850℃下進行時，CH4的轉化率隨時間t變化的示意圖為

。

考點：考查蓋斯定律、反應速率計算及外界條件對平衡狀態(tài)的影響等