Question

CH₄和H₂O在一定条件下, 可以转化为合成一系列有机化合物、氨的重要原料(CO+H₂)，这种方法称作甲烷水蒸气重整法制合成气，其能量变化如图:

（1）甲烷水蒸气重整法制合成气的热化学方程式为_______；该反应只有在_____（填“高温”、“低温”或“常温”）才自发进行。

（2）下列有关甲烷水然气重整法制合成气的说法正确的是_____（填字母）。

A.相同条件下，该反应的逆反应更易发生 

B.恒温恒容时充入一定量CO₂，可促进CH₄转化并可调节CO和H₂的比例 

C.若反应的高效催化剂为A，则A一定是CO和H₂合成CH₄的高效催化剂 

D.恒温时向上述平衡体系中充入少量Ar，平衡一定不移动 

E.有副反应：H₂O+COCO₂+H₂ 

（3）在恒容密闭容器中充入2mol的CH₄和H₂O(g)混合气体，且CH₄和H₂O(g)的物质的量之比为x，相同温度下测得H₂平衡产率与x的关系如图所示。请问a、b两点比较（填“>”、“<”、“=”）；CH₄的转化率a点____b点，a点CH₄的浓度_____b点H2O(g)的浓度，氢气的产率a点_____b点。

（4）当充入CH₄和H₂O(g)物质的量之比1:2.2时，温度、压强p对平衡时CO体积分数φ(CO)的影响如图，则压强由大到小的排序是_____；当T<450℃和T≥1000℃时，压强p对φ(CO)几乎无影响的原因是_____________________。 

（5）在下图左室充入1molCH₄和H₂O(g)混合气体(物质的量之比为1:1)，恒温条件下反应建立平衡，测得CH₄的转化率为50%，则其平衡常数为_________ 。 

Answer

CH4(g)＋H2O(g)＝CO(g)＋3H2(g) ΔH=+206.1 kJ/mol 高温 ABCE > = = p3>p2>p1 当T<450℃时，几乎不反应，所以压强的改变对φ(CO) 几乎无影响；当T≥1000℃时，φ(CO)已经很大，甲烷的转化率已经达到了90%以上，所以压强的改变对φ(CO)影响很小。 0.75

【解析】（1）本题考查热化学反应方程式的书写，以及反应反应方向的进行，根据能量变化图，热反应方程式为CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g) △H=(240.1－34.0)kJ·mol－1=＋206.1kJ·mol－1；根据△G=△H－T△S，此反应是吸热反应，即△H<0，此反应是熵增，即△S>0，因此能自发进行，△G<0，即在高温下；（2）本题考查影响化学反应速率的因素，A、根据图像，逆反应的活化能小，因此逆反应更易发生，故A正确；B、反应体系中存在CO＋H2O CO2＋H2反应，恒温恒容时充入一定量的CO2，可促进产物中H2反应，提高CH4的平衡转化率，并适当减少H2的物质的量，增加CO的物质的量，调节CO和H2的比例，故B正确；C、使用催化剂降低反应的活化能，某可逆反应的正反应使用催化剂一定也是逆反应的催化剂，故C正确；D、恒温恒容时充入非反应气体，组分的浓度不变，平衡不移动，如果是恒温恒压下，充入非反应气体，组分的浓度降低，平衡正向移动，故D错误；E、反应体系中存在CO＋H2O CO2＋H2反应，故E正确；（3）本题是影响化学平衡移动的因素以及化学平衡的计算，x越大，甲烷的量越多，因此甲烷的转化率降低，即a点甲烷的转化率大于b点甲烷转化率；当比值为9：11，设甲烷为9mol，H2O为11mol， CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g)

起始：9 11 0 0

变化：x x x 3x

平衡：9－x 11－x x 3x 氢气的体积分数为3x/(20＋2x) 当比值为11：9，设甲烷为11mol，H2O为9mol，

CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g)

起始：11 9 0 0

变化：y y y 3y

平衡：11－y 9－y y 3y 氢气的体积分数为3y/(20＋2y)，因为在a点和b点，氢气的体积分数相等，即推出x=y，a点甲烷的浓度等于b点水蒸气的浓度；两点的氢气产率相等；（4）考查影响化学平衡移动的因素，相同温度下增大压强，平衡向逆反应方向移动，CO的体积分数减小，则压强p3>p2>p1；当T<450℃时，几乎不反应，所以压强的改变对φ(CO) 几乎无影响；当T≥1000℃时，φ(CO)已经很大，甲烷的转化率已经达到了90%以上，所以压强的改变对φ(CO)影响很小；（5）考查化学平衡常数的计算CH4(g)＋H2O(g)=CO(g)＋3H2(g)

起始：0.5 0.5 0 0

变化：0.25 0.25 0.25 0.75

平衡：0.25 0.25 0.25 0.75 等温等压下，体积之比等于物质的量之比，达到平衡后，容器的体积为1.5L，根据平衡常数的定义，K=c3(H2)×c(CO)/[C(CH4)×c(H2O)]，代入数值，解得K=0.75。

点睛：本题易错点是化学平衡的计算，化学平衡的计算，一般采用“三段式”进行计算，列出起始、变化、平衡，如问题（5）计算化学平衡常数，就采用三段式，进行计算，但平衡常数是浓度的幂之积，需要计算反应后容器的体积，需要用等温等压下，体积之比等于物质的量之比求解。