Question

合成气（CO+H₂）广泛用于合成有机物，工业上常采用天然气与水蒸气反应等方法来制取合成气。

（1）已知标况下，5.6LCH₄与水蒸气完全反应时吸收51.5KJ的热量，请写出该反应的热化学方程式____；

（2）在150℃时2L的密闭容器中，将2 mol CH₄和2 mol H₂O(g)混合，经过15min达到平衡,此时CH₄的转化率为60%。回答下列问题：

①从反应开始至平衡，用氢气的变化量来表示该反应速率v(H₂)=____。

②在该温度下，计算该反应的平衡常数K＝____。

③下列选项中能表示该反应已达到平衡状态的是____

A．v(H₂)_逆＝3v (CO)_正              B．密闭容器中混合气体的密度不变

C．密闭容器中总压强不变         D．C (CH₄) = C (CO)

（3）合成气中的氢气也用于合成氨气：N₂ + 3H₂2NH₃。保持温度和体积不变， 在甲、乙、丙三个容器中建立平衡的相关信息如下表。则下列说法正确的是____；

容 器	体积	起始物质	平衡时NH3的物质的量	平衡时N2的 体积分数	反应开始时的速率	平衡时容器内压强
甲	1L	1molN2+3molH2	1.6mol	φ甲	ν甲	P甲
乙	1L	2molN2+6molH2	n1 mol	φ乙	ν乙	P乙
丙	2L	2molN2+6molH2	n2 mol	φ丙	ν丙	P丙

A．n₁=n₂=3.2  B．φ_甲=φ_丙＞φ_乙   C．ν_乙＞ν_丙＞ν_甲   D．P_乙＞P_甲=P_丙

（4）合成气制甲醚的反应方程式为2CO(g) + 4H₂(g)CH₃OCH₃（g）+ H₂O(g) △H = b kJ/mol。有研究者在催化剂（Cu—Zn—Al—O和A1₂O₃)、 压强为5.OMPa的条件下，由H₂和CO直接制备甲醚，结果如下图所示。

① 290℃前，CO转化率和甲醚产率的变化趋势不一致的原因是____；

② b____0，（填“＞”或“＜”或“=”）理由是____。

Answer

CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+206 kJ/mol 0.12mol.L-1.min-1 21.87 AC BD 有副反应发生 ＜ 平衡后，升高温度，产率降低

【解析】（1）标况下，5.6LCH4的物质的量为=0.25mol，故1mol CH4与水蒸气完全反应生成合成气的反应热为+=++206 kJ/mol，根据反应方程式可知，该反应的热化学方程式为：CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H=+206 kJ/mol；

（2） CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)

开始时的浓度（mol/L） 1 1 0 0

改变的浓度（mol/L） 0.6 0.6 0.6 1.8

平衡时的浓度（mol/L） 0.4 0.4 0.6 1.8

①v(H2)= ==0.12mol.L-1.min-1；②K＝== 21.87mol2•L-2；③A．v(H2)逆＝3v (CO)正，根据反应速率之比等于化学计量数之比有v(H2)正＝3v (CO)正，故v(H2)逆＝v(H2)正，反应已达到平衡状态，选项A选；B．参与反应的物质均为气体，气体的总质量不变，反应在恒容条件下进行，故密度始终保持不变，密闭容器中混合气体的密度不变，不能说明反应已达到平衡状态，选项B不选；C．同温同压下，气体的压强与气体的物质的量成正比，该反应正反应为气体体积增大的反应，密闭容器中总压强不变，则总物质的量不变，说明反应已达到平衡状态，选项C选； D．反应开始时加入2 mol CH4和2 mol H2O(g)，反应过程中两者的物质的量始终保持相等， C (CH4) = C (CO) 不能说明反应已达到平衡状态，选项D不选。答案选AC；（3）根据表中数据知，甲丙中各反应物的浓度相等，所以相当于等效平衡，平衡时N2的体积分数相等；乙中各反应物浓度是甲的2倍，且压强大于甲，增大压强，平衡向气体体积缩小的方向移动，所以平衡时乙中N2的体积分数小于甲；A．甲丙中各反应物的浓度相等，n1= 3.2，乙压强大于甲乙，平衡正向移动，n2＞ 3.2，选项A错误；B．甲丙为等效平衡，平衡时N2的体积分数相等φ甲 =φ丙，乙压强大，平衡正向移动，平衡时乙中N2的体积分数小于甲，故φ甲 =φ丙＞φ乙，选项B正确； C．甲丙中各反应物的浓度相等，为等效平衡，反应速率相等，ν丙=ν甲，乙中各反应物浓度平衡时接近甲丙的二倍，反应速率较大，ν乙＞ν丙=ν甲，选项C错误；D．体积相同的容器中，甲丙等效，单位体积气体总物质的量浓度相同，压强相等P甲 =P丙，乙中平衡时单位体积气体总物质的量接近甲丙的二倍，P乙＞P甲 =P丙，选项D正确。答案选BD；（4）① 290℃前，CO转化率随温度升高而降低，根据反应2CO(g) + 4H2(g)CH3OCH3（g）+ H2O(g)可知甲醚是生成物，产率应该降低，但反而增大，证明还有另外的反应生成甲醚，即CO的转化率和甲醚产率的变化趋势不一致的原因是有副反应发生；②根据图中信息可知，平衡后，升高温度，产率降低，平衡向逆反应方向移动，逆反应为吸热反应，则正反应为放热反应，△H = b＜ 0。