Question

CO和H₂在工业上常作为重要的化工原料，其混合气称为合成气。工业上CH₄—H₂O催化重整是目前大规模制取合成气的重要方法，其原理为：

反应Ⅰ：CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)     ∆H₁=+210 kJ/mol

反应Ⅱ：CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)     ∆H₂=﹣41 kJ/mol

(1)CH₄(g)+2H₂O(g)CO₂(g)+4H₂(g)     ∆H₃=____ kJ/mol。

(2)反应Ⅰ达到平衡的标志是_____。

A．恒温恒容情况下，压强不再改变　　B．v_正(CO)=3v_逆(H₂)

C．平均相对分子质量不再改变　　　　D．恒温恒容情况下，气体密度不再改变

(3)若容器容积不变，不考虑反应Ⅰ，对反应Ⅱ下列措施可增加CO转化率的是____。

A．升高温度　　　　　　　　　　　　　B．将CO₂从体系分离

C．充入He，使体系总压强增大　　　　　D．按原投料比加倍投料

(4)将1 mol CH₄(g)和1 mol H₂O(g)加入恒温恒压的密闭容器中(温度298 K、压强100 kPa)，发生反应Ⅰ，不考虑反应Ⅱ的发生，该反应中，正反应速率v_正=k_正×p(CH₄)×p(H₂O)，逆反应速率v_逆=k_逆×p(CO)×p³(H₂)，其中k_正、k_逆为速率常数，p为分压(分压=总压×物质的量分数)，则该反应的压强平衡常数K_p=___(以k_正、k_逆表示)。若该条件下k_正=4.4×10⁴kPa^-1·s^-1，当CH₄分解20%时，v_正=__kPa·s^-1（保留两位有效数字）。

Answer

+169 AC B 4.9×107

【解析】

(1)根据盖斯定律，将已知热化学方程式叠加，可得待求反应的热化学方程式；

(2)当反应达到平衡时，任何一种物质的物质的量、浓度、密度等保持不变，据此判断；

(3)若提高CO的平衡转化率，则应该使化学平衡正向移动；

(4)根据平衡时v正= v逆计算化学平衡常数；根据CH4分解20%计算平衡时各种气体的物质的量得到气体的分压，带入速率公式计算。

(1)已知：反应Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ∆H1=+210 kJ/mol

反应Ⅱ：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ∆H2=﹣41 kJ/mol，

根据盖斯定律，将I+II，整理可得：CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) ∆H3=+169 kJ/mol；

(2)对于反应Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ∆H1=+210 kJ/mol，该反应的正反应为气体体积增大的吸热反应。

A．恒温恒容情况下，若压强不再改变，说明气体的物质的量不变，反应达到平衡状态，A正确；

B．在任何条件下，3v正(CO)=v正(H2)，若v正(CO)=3v逆(H2)，则v正(H2)=9v逆(H2)，反应正向进行，未达到平衡状态，B错误；

C．反应前后气体的质量不变，若平均相对分子质量不再改变，说明气体的物质的量不再发生变化，反应达到了平衡状态，C正确；

D．反应前后气体的质量不变，容器的容积不变，则气体密度始终不变，因此不能据此判断反应是否处于平衡状态，D错误；

故合理选项是AC；

(3)对于反应II：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ∆H2=﹣41 kJ/mol，该反应的正反应是气体体积不变的放热反应

A．升高温度，化学平衡向吸热的逆反应方向移动，CO的转化率降低，A不符合题意；

B．将CO2从体系分离，即减小生成物浓度，平衡正向移动，达到平衡时CO的转化率提高，B符合题意；

C．充入He，反应体系总压强增大，由于该反应是反应前后气体体积不变的反应，因此增大压强，化学平衡不移动，CO转化率不变，C不符合题意；

D．按原投料比加倍投料，即增大压强，化学平衡不移动，物质转化率不变，D不符合题意；

故合理选项是B；

(4)对于反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)，由于v正=k正×p(CH4)×p(H2O)，v逆=k逆×p(CO)×p3(H2)，当反应达到平衡时，v正= v逆，则k正×p(CH4)×p(H2O)=k逆×p(CO)×p3(H2)，，该反应的压强平衡常数Kp==；

将1 mol CH4(g)和1 mol H2O(g)加入恒温恒压的密闭容器中，发生该反应，若CH4分解20%，此时各种气体的物质的量为n(CH4)=n(H2O)=(1-20%)mol=0.8 mol，n(CO)=0.2 mol，n(H2)=0.6 mol，气体总物质的量为n(总)=0.8 mol+0.8 mol+0.2 mol+0.6 mol=2.8 mol。在恒温恒压下，气体的物质的量比等于气体的压强之比，所以平衡时各种气体所占分压：p(CH4)=p(H2O)=；p(CO)=；p(H2)=，气体总压强为100 kPa，根据此时k正=4.4×104kPa-1·s-1，则该条件下正反应速率v正=k正×p(CH4)×p(H2O)=4.4×104 kPa-1·s-1×(×100 kPa)×(×100 kPa)= 4.9×107 kPa·s-1。