Question

氢气既是一种优质的能源，又是一种重要化工原料，高纯氢的制备是目前的研究热点。

（1）甲烷水蒸气催化重整是制备高纯氢的方法之一，甲烷和水蒸气反应的热化学方程式是：

CH₂(g)＋2H₂O(g)CO₂(g)＋4H₂(g)  △H＝+165.0kJ·mol^－1

已知反应器中存在如下反应过程：

I.CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)     △H₁＝+206.4kJ·mol^－1

II.CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)    △H₂

根据上述信息计算：a＝___、△H₂＝___。

（2）某温度下，4molH₂O和lmolCH₄在体积为2L的刚性容器内同时发生I、II反应，达平衡时，体系中n(CO)＝bmol、n(CO₂)＝dmol，则该温度下反应I的平衡常数K值为___(用字母表示)。

（3）欲增大CH₄转化为H₂的平衡转化率，可采取的措施有___(填标号)。

A.适当增大反应物投料比武n(H₂O)：n(CH₄)

B.提高压强

C.分离出CO₂

（4）H₂用于工业合成氨：N₂＋3H₂2NH₃。将n(N₂)：n(H₂)＝1：3的混合气体，匀速通过装有催化剂的反应器反应，反应器温度变化与从反应器排出气体中NH₃的体积分数φ(NH₃)关系如图，反应器温度升高NH₃的体积分数φ(NH₃)先增大后减小的原因是___。

某温度下，n(N₂)：n(H₂)＝1：3的混合气体在刚性容器内发生反应，起始气体总压为2×l0⁷Pa，平衡时总压为开始的90%，则H₂的转化率为___，气体分压(p_分)＝气体总压(p_总)×体积分数，用某物质的平衡分压代替物质的量浓度也可以表示化学平衡常数(记作K_p)，此温度下，该反应的化学平衡常数K_p＝___(分压列计算式、不化简)。

Answer

415.1 -41.4kJ·mol－1 AC 温度低于T0时未达平衡，温度升高、反应速率加快，NH3的体积分数增大;高于T0时反应达平衡,由于该反应是放热反应，温度升高平衡常数减小，NH3的体积分数减小 20%

【解析】

（1）根据△H1=反应物键能-生成物键能计算a；根据盖斯定律计算△H2；

（2）根据K=计算；

（3）欲增大CH4转化为H2的平衡转化率要使平衡正向移动；

（4）温度低于T0时未达平衡，高于T0时反应达平衡，该反应是放热反应；根据压强比等于气体物质的量之比进行计算；

（1）反应CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H1＝=4a kJ·mol－1+2×465 kJ·mol－1-(1076 kJ·mol－1+3×436 kJ·mol－1)= +206.4kJ·mol－1，解得a=415.1 kJ·mol－1；ⅢCH2(g)＋2H2O(g)CO2(g)＋4H2(g) △H＝+165.0kJ·mol－1，I.CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H1＝+206.4kJ·mol－1，根据盖斯定律可知II=Ⅲ- I，所以△H2=△H-△H1=+165.0kJ·mol－1-206.4kJ·mol－1=-41.4kJ·mol－1，

故答案为：415.1；-41.4kJ·mol－1；

（2）由n(CO2)＝dmol可知反应II生成的n(H2)= dmol，同时消耗的n(CO)=dmol，消耗的n(H2O)=dmol，则在反应I中生成的n(CO)=(b+d)mol，消耗的n(CH4)= (b+d)mol，消耗的n(H2O)= (b+d)mol，生成的n(H2)=(3b+3d)mol，则平衡时体系内：n(CH4)=(1-b-d)mol、n(H2O)=(4-b-2d)mol、n(CO)=bmol、n(H2)=(3b+4d)mol，容器体积为2L，故平衡常数 ，

故答案为：；

（3）A.适当增大反应物投料比武n(H2O)：n(CH4)，增大水的量促进甲烷转化成CO，促进CO转化成CO2，故A正确；

B.提高压强，反应I平衡左移，故B错误；

C.分离出CO2可使平衡右移，故C正确；

故答案为：AC；

（4）温度低于T0时未达平衡，温度升高、反应速率加快，NH3的体积分数增大;高于T0时反应达平衡,由于该反应是放热反应，温度升高平衡常数减小，NH3的体积分数减小；

设初始加入的N2为1 mol、H2为3 mol ，温度、体积一定时气体物质的量之比等于压强之比，气体物质的量减少4×10 % =0.4 mol；

其中p0=2×l07Pa ；

H2的转化率为0.6/3=20%；

平衡常数

故答案为：温度低于T0时未达平衡，温度升高、反应速率加快，NH3的体积分数增大;高于T0时反应达平衡,由于该反应是放热反应，温度升高平衡常数减小，NH3的体积分数减小；20%；。