Question

（16分）甲烷水蒸气重整制合成气是利用甲烷资源的途径之一，该过程的主要反应是

反应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

则反应①的ΔH =_________（用ΔH₁、ΔH₂和ΔH₃表示）。

（2）其他条件相同，反应①在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CH₄的转化率随反应温度的变化如图所示。

①在相同条件下，三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是________。

②a点所代表的状态________（填“是”或“不是”）平衡状态。

③c点CH₄的转化率高于b点，原因是________。

（3）反应①在恒容密闭反应器中进行，CH₄和H₂O的起始物质的量之比为1︰2，10 h后CH₄的转化率为80％，并测得c(H₂O)＝0.132 mol·L^－1，计算0～10 h内消耗CH₄的平均反应速率_____（写出计算过程，结果保留2位有效数字）。

（4）在答题卡的坐标图中，画出反应①分别在700℃和850℃下进行时，CH₄的转化率随时间t变化的示意图（进行必要标注）。

Answer

（1）ΔH1—ΔH2—3ΔH3 （2）①Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ ②不是

③b、c点均未达到平衡状态，c点温度高，反应速率较快，故CH4的转化率较大

（3）8.8×10—3mol/(L·h)

（4）

【解析】

试题分析：（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，则根据盖斯定律可知①—②—3×③均得到CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) ΔH＝ΔH1—ΔH2—3ΔH3。

（2）① 根据图像可知在相同条件下，曲线I中甲烷的转化率最高，其次是Ⅱ、Ⅲ，则三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ。

②由于催化剂不能改变平衡状态，则使用不同的催化剂时甲烷的转化率在平衡时应该是相等的，则a点所代表的状态不是平衡状态。

③由于b、c点均未达到平衡状态，c点温度高，反应速率较快，故c点CH4的转化率高于b点。

（3）设甲烷和水蒸气的起始物质的量分别为x和2x，容器体积为V，则

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

起始量（mol） x 2x 0 0

转化率（mol） 0.8x 0.8x 0.8x 0.8x

平衡量（mol） 0.2x 1.2x 0.8x 0.8x

则1.2x＝0.132V

解得x＝0.11Vmol

所以甲烷的反应速率为＝0.8×0.11V/10V＝8.8×10—3mol/(L·h)

反应①在恒容密闭反应器中进行，CH4和H2O的起始物质的量之比为1︰2，10 h后CH4的转化率为80％，并测得c(H2O) = 0.132 mol·L－1，计算0～10 h内消耗CH4的平均反应速率（写出计算过程，结果保留2位有效数字）。

（4）根据（1）中分析可知该反应是吸热反应，升高温度甲烷的转化率增大，则反应①分别在700℃和850℃下进行时，CH4的转化率随时间t变化的示意图为

。

考点：考查盖斯定律、反应速率计算及外界条件对平衡状态的影响等