Question

CH₄超干重整CO₂技术可得到富含CO的化工原料。回答下列问题：

(1)CH₄超干重整CO₂的催化转化如图所示：

①已知：CH₄(g)+H₂O(g)=CO(g)+3H₂(g)    △H₁=+206.2kJ/mol ；

CO₂(g)+4H₂(g)=CH₄(g)+2H₂O(g)          △H₂=-165kJ/mol；

过程I的热化学方程式为_______。

②关于上述过程II的说法不正确的是______(填字母)。

a．实现了含碳物质与含氢物质的分离 b．可表示为CO₂＋H₂⇌H₂O(g)＋CO c．CO未参与反应 d．Fe₃O₄、CaO为催化剂，降低了反应的ΔH

③其他条件不变，在不同催化剂(I、II、III)作用下，反应CH₄(g)＋CO₂(g) ⇌2CO(g)＋2H₂(g)进行相同时间后，CH₄的转化率随反应温度的变化如图所示。a点是否达到平衡状态？________(填“是”或“否”)；b点CH₄的转化率高于c点，原因是________。

(2)在刚性密闭容器中，加入CH₄和CO₂，二者分压分别为20 kPa、25 kPa，加入Ni/α－Al₂O₃催化剂并加热至1123 K使其发生反应CH₄(g)＋CO₂(g) ⇌2CO(g)＋2H₂(g)。

①研究表明CO的生成速率v(CO)＝1.3×10^-2·p(CH₄) ·p(CO₂)。（单位忽略），某时刻测得p(CO)＝20 kPa，则p(CO₂)＝________kPa，v(CO)＝________（单位忽略）。

②达到平衡后测得体系压强是起始时的1.8倍，则该反应的平衡常数的计算式为K_p＝________。(用各物质的分压计算)

Answer

CH4(g)＋CO2(g)===2CO(g)＋2H2(g) ΔH＝＋247.4 kJ·mol-1 cd 否 b和c都未达平衡，b点温度高，反应速率快，相同时间内转化率高 15 1.95

【解析】

根据盖斯定律，由已知热化学方程式求出所求热化学方程式；由题中图示可知，过程II的反应分两步，依据各步反应可判断；根据催化剂只影响化学反应速率，不影响化学平衡移动，则使用不同的催化剂，达平衡时CH4转化率是一样的予以判断；根据化学平衡“三段式”计算CO2的分压，v(CO)，Kp的值。

（1）①由题图可知，过程I发生CH4+CO2 2CO+2H2反应，根据I.CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) △H1=+206.2kJ/mol ；II.CO2(g)+4H2(g)=CH4(g)+2H2O(g) △H2=-165kJ/mol；则I×2+II得：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H=2△H1+△H2=2×206.2kJ/mol+(-165kJ/mol)=+247.4kJ/mol；答案为CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g) △H=+247.4kJ/mol。

②过程Ⅱ的反应第一步是CO+CO2+H2+Fe3O4+CaO→H2O+Fe+CaCO3，第二步反应：Fe+CaCO3+稀有气体→稀有气体+Fe3O4+CaO+CO，
a．上述分析可知，两步反应实现了含碳物质与含氢物质的分离，故a正确；
b．反应过程中有催化剂(Fe3O4、CaO)和中间产物(Fe、CaCO3)，总反应可表示为CO2+H2=H2O (g)+CO，故b正确；
c．CO最后剩余是一氧化碳参与反应过程，最后又生成CO，故c错误；
d．Fe3O4、CaO为催化剂，仅改变反应速率不能改变反应的△H，故d错误；

答案为cd。

③因为催化剂只改变反应速率不改变平衡移动，所以最终不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下达平衡时CH4的转化率相同，故a点所代表的状态不是平衡状态，此时反应一直向正反应方向移动，b和c都没平衡，b点温度高，反应速率快，相同时间内转化率高，所以b点CH4的转化率高于c点；答案为否，b和c都没平衡，b点温度高，反应速率快，相同时间内转化率高。

（2）①在刚性密闭容器中，CH4和CO2的分压分别为20kPa、25 kPa，加入Ni/α-A12O3催化剂并加热至 1123K 使其发生反应：某时刻测得p(CO)=20kPa， 则p(CO2)=15kPa，v(CO)＝1.3×10-2·p(CH4) ·p(CO2)= 1.3×10-2×10×15=1.95；答案为15，1.95。

②达到平衡后测得体系压强是起始时的1.8倍，设达到平衡状态消耗甲烷分压x则=1.8，解得x=18，则该反应的平衡常数的计算式为Kp＝= = ；答案为。