Question

天然气是重要的化石能源，其综合利用的研究意义重大。

已知；i.CH₄(g)十H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)     ∆H=+206kJ•mol^-1；

ii.CH₄(g)+2H₂O(g)CO₂(g)+4H₂(g)      ∆H=+165kJ•mol^-1；

iii.C(s)十H₂O(g)CO(g)十H₂(g)     ∆H=+131.4kJ•mol^-1。

请回答下列问题：

（1）若将物质的量之比为1：1的CH₄(g)和H₂O(g)充入密闭容器中发生反应i。CH₄(g)和CO(g)的平衡体积分数(φ)与温度(T)的关系如图所示：

图中表示CH₄(g)的平衡体积分数与温度关系的曲线为___(填“L₁”或“L₂”)，原因为__。

（2）合成气的主要组分为CO和H₂；以天然气为原料生产的合成气有多种方法，其中Sparg工艺的原理为CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)   ∆H₁。T℃下，向容积可变的密闭容器中充入一定量的CH₄(g)和CO₂(g)，改变容器体积，测得平衡时容器内气体的浓度如表所示：

①∆H₁=__。

②T℃下，该反应的平衡常数K=__。

③实验1中，CO的平衡体积分数为__%(保留三位有效数字)。

④V₁：V₂=_。

（3）甲烷在高温下分解生成的炭黑，是生成橡胶的重要原料，其分解原理为CH₄(g)C(s)+2H₂(g)。

①一定温度下，将n₁molCH₄充入1L恒容密闭容器中发生上述反应，tmin末容器内压强变为原来的1.6倍。tmin内该反应的平均反应速率v(H₂)=__(用含n₁和t的代数式表示)。

②若控制温度和压强不变，充入CH₄的物质的量与平衡时H₂的体积分数的关系如图所示。充入n₁molCH₄时，平衡点位于A点，则充入n₂molCH₄时，平衡点位于__(填“B”“C”或“D”)点。

Answer

L2 反应i为吸热反应，温度升高平衡正向进行甲烷体积分数降低； +247kJ/mol 0.25 41.7 3：7 mol/（L•min） C

【解析】

（1）反应i为吸热反应，图1中表示甲烷的平衡体积分数与温度关系的曲线为L2；

（2）①由盖斯定律计算∆H1

②T℃下，该反应的平衡常数K=，由图表数据计算得到；

③实验1中生成CO物质的量浓度=0.10mol/L，平衡状态下气体总浓度=0.02mol/L+0.02mol/L+0.1mol/L+0.1mol/L=0.24mol/L，据此计算CO的平衡体积分数；

④平衡常数随温度变化，利用平衡常数列式计算，=0.25，x=0.005，假设平衡时的体积不变，将实验1和实验2中的平衡状态利用极值可以得到，当c（CO）=0mol/L时，实验1中c（CH4）=0.07mol/L，实验2中c（CH4）=0.03mol/L，而此时两个虚拟容器中甲烷的物质的量相同，物质的量浓度之比等于体积的反比；

（3）①tmin②末容器内压强变为原来的1.6倍，气体物质的量变为原来的1.6倍为1.6n1mol，其中n（H2）=1.2n1mol，tmin内该反应的平均反应速率v（H2）=；

②若控制温度和压强不变，只改变甲烷的物质的量，平衡时氢气的体积分数不变。

（1）图1中表示甲烷的平衡体积分数与温度关系的曲线为L2，原因是反应i为吸热反应，温度升高平衡正向进行甲烷体积分数降低，故答案为：L2；反应i为吸热反应，温度升高平衡正向进行甲烷体积分数降低；

（2）①已知：i．CH4（g）+H2O（g）⇌CO（g）+3H2（g）△H=+206kJ▪mol-1；

ii．CH4（g）+2H2O（g）⇌CO2（g）+4H2（g）△H=+165kJ▪mol-1；

盖斯定律计算i×2-ii得到：CH4（g）+CO2（g）⇌2CO（g）+2H2（g）△H1=+247kJ/mol，故答案：+247kJ/mol；

②T℃下，该反应的平衡常数K===0.25，故答案为：0.25；

③实验1中生成CO物质的量浓度=0.10mol/L，平衡状态下气体总浓度=0.02mol/L+0.02mol/L+0.1mol/L+0.1mol/L=0.24mol/L，CO的平衡体积分数=×100%=41.7%，故答案为：41.7；

④利用平衡常数列式计算，=0.25，x=0.005，假设平衡时的体积不变，将实验1和实验2中的平衡状态利用极值可以得到，当c（CO）=0mol/L时，实验1中c（CH4）=0.07mol/L，实验2中c（CH4）=0.03mol/L，而此时两个虚拟容器中甲烷的物质的量相同，则物质的量浓度之比等于体积反比，V1：V2=3：7，故答案为：3：7；

（3）①tmin②末容器内压强变为原来的1.6倍，气体物质的量变为原来的1.6倍为1.6n1mol，其中n（H2）=1.2n1mol，tmin内该反应的平均反应速率v（H2）=mol/（L•min），故答案为：mol/（L•min）；

②若控制温度和压强不变，只改变甲烷的物质的量，平衡时氢气的体积分数不变，平衡点在C点，故答案为：C。