Question

CH₄-CO₂催化重整时发生反应：CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)，不仅可以得到合成气(CO和H₂)，还对温室气体的减排具有重要意义。回答下列问题：

（1）某温度下，向1L的密闭容器中充入0.2molCH₄与0.1molCO₂，发生CH₄-CO₂催化重整反应，10min时达到平衡，测得平衡混合物中CO(g)的体积分数为20%，则用CH₄表示的反应速率为______，CO₂的平衡转化率为______。

（2）若CO₂的平衡转化率(a)与温度(T)、压强(p)的关系如图所示。由图可知：压强p₁______p₂（选填“＞“、“＜“或“=”），理由是______。

（3）在一定温度下，向固定容积为2L的密闭容器中充入0.1moCH₄与0.1mo1CO₂发生CH₄-CO₂催化重整反应，达平衡时CO₂的平衡转化率为50%，则此条件下该反应的平衡常数为K=______；平衡后保持温度不变，若再充入0.15molCH₄、0.15molCO₂、0.1molCO、0.1molH₂，则此时v_正______（选填“＞”、“＜”或“=”）v_逆。

（4）已知：C(s)+2H₂(g)＝CH₄(g)△H₁=-75 kJ•mol^-1

C(s)+O₂(g)＝CO₂(g)△H₂=-394 kJ•mol^-1

C(s)+O₂(g)＝CO(g)△H₃=-111 kJ•mol^-1

①催化重整反应CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)的△H=______kJ•mol^-1。

②反应中催化剂活性会因积碳反应而降低，同时存在的消碳反应则使积碳量减少。相关数据如下表：

	积碳反应CH4(g)＝C(s)+2H2(g)	消碳反应CO2(g)+C(s)＝CO(g)
△H/(kJ•mol^-^1)	75	172
活化能/(kJ•mol^-^1)	催化剂X	33	91
催化剂Y	43	72

由上表判断，催化剂X______Y（填“优于”或“劣于”），理由是______。

Answer

37.5% ＜ 当温度一定时，压强越大，平衡向逆反应方向移动，CO2的平衡转化率越小，图中压强p1对应的转化率大于p2，则压强p1＜p2 6.25×10-4 ＜ +247 劣于 相对于催化剂X，催化剂Y积碳反应的活化能大，积碳反应的速率小，而消碳反应活化能相对小，消碳反应速率大

【解析】

（1）发生的反应为：

平衡化合物中CO的体积分数为20%，所以，解得，所以用CH4表示的反应速率为，CO2的平衡转化率；

（2）随着反应进行，气体分子数增多，体系压强增大，减压有利于反应正向进行，说明较低的压强对应较高的平衡转化率，所以p1＜p2；

（3）发生的反应为：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，平衡时CO2的平衡转化率为50%，

，平衡后保持温度不变，若再充入0.15molCH4、0.15molCO2、0.1molCO、0.1molH2，则，所以反应逆向进行，v正＜v逆；

（4）①CH4-CO2催化重整反应的化学方程式为CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，

①C(s)+2H2(g)＝CH4(g)△H1=-75 kJ•mol-1

②C(s)+O2(g)＝CO2(g)△H2=-394 kJ•mol-1

③C(s)+O2(g)＝CO(g)△H3=-111 kJ•mol-1

根据盖斯定律③×2-①-②计算CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)的焓变△H=(-111 kJ•mol-1)×2-(-75 kJ•mol-1)-(-394 kJ•mol-1)=+247kJ/mol；

②消碳反应所需活化能越低，消碳反应越容易进行，催化剂活性越好，根据表中数据知，催化剂X较催化剂Y，积碳反应时，活化能低，反应速率快，消碳反应时，活化能高，反应速率慢，综合考虑，催化剂X较催化剂Y更利于积碳反应，不利于消碳反应，会降低催化剂活性。