Question

【題目】氫氣既是一種優(yōu)質(zhì)的能源，又是一種重要化工原料，高純氫的制備是目前研究的熱點(diǎn)。

(1)甲烷水蒸氣催化重整是制備高純氫的方法之一，甲烷和水蒸氣反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)△H=+165.0kJ·mol-1。

已知反應(yīng)器中存在如下反應(yīng)過(guò)程式：

Ⅰ.CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) ΔH1=+206. 4 kJ. mol-1

Ⅱ.CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2=___。

(2)某溫度下，4molH2O和1 mol CH4在體積為2L的剛性容器內(nèi)同時(shí)發(fā)生反應(yīng)I、Ⅱ，反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，體系中n(CO)=bmol、n(CO2)=dmol，則該溫度下反應(yīng)I的平衡常數(shù)K的值為_____用含字母b、d的代數(shù)式表示)

(3)欲增大CH4轉(zhuǎn)化為H2的平衡轉(zhuǎn)化率，可采取的措施有_____(填標(biāo)號(hào))。

A.適當(dāng)增大反應(yīng)物的投料比n(H2O)：n(CH4)

B.增大壓強(qiáng)

C.分離出CO2

(4)H2用于工業(yè)合成氨：N2+3H2 2NH3.將n(N2)：n(H2)=1:3的混合氣體，勻速通過(guò)裝有催化劑的反應(yīng)器中反應(yīng)，反應(yīng)器的溫度變化與從反應(yīng)器排出的氣體中NH3的體積分?jǐn)?shù)φ(NH3)的關(guān)系曲線(xiàn)如圖，反應(yīng)器溫度高于T0后，NH3的體積分?jǐn)?shù)g(NH3)隨溫度的升高而減小的原因是____。

某溫度下，n(N2)：n(H2)=1:3的混合氣體在剛性容器內(nèi)發(fā)生反應(yīng)，起始時(shí)氣體總壓為p0Pa，平衡時(shí)氣體總壓為0.9p0Pa，則H2的轉(zhuǎn)化率為____，氣體分壓(p分)=氣體總壓(p總)×體積分?jǐn)?shù)，用某物質(zhì)的平衡分壓代替物質(zhì)的量濃度也可以表示化學(xué)反應(yīng)平衡常數(shù)(記作Kp)，則此溫度下，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)Kp=_____(用含p0的代數(shù)式表示)。

Answer 1

【答案】-41.4 kJ. mol-1 AC 溫度高于T0時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，該反應(yīng)是正反應(yīng)放熱反應(yīng)，故溫度升高，平衡逆向移動(dòng)，NH3的體積分?jǐn)?shù)減小 20%

【解析】

（1）利用蓋斯定律求出反應(yīng)Ⅱ的H2；

（2）求出平衡時(shí)反應(yīng)物、生成物的濃度，計(jì)算平衡常數(shù)；

（3）欲增大CH4轉(zhuǎn)化為H2的平衡轉(zhuǎn)化率，當(dāng)CH4投料時(shí)的物質(zhì)的量不變，使化學(xué)平衡正向移動(dòng)；

（4）溫度低于T0時(shí)未達(dá)到平衡，溫度高于T0時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，該反應(yīng)是放熱反應(yīng)，根據(jù)題意計(jì)算出各自的分壓，然后計(jì)算分壓平衡常數(shù)。

（1）由蓋斯定律可知，H2=△H-ΔH1=165.0kJ·mol-1-206. 4 kJ· mol-1=-41.4 kJ· mol-1；

（2）由n(CO2)=dmol可知反應(yīng)Ⅱ生成的n(H2)=dmol，同時(shí)消耗n(CO)=dmol，同時(shí)消耗n(H2O)= dmol，則反應(yīng)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，則平衡體系內(nèi)n(CH4)=(1-b-d) mol、n(H2O)=(4-b-2d)mol、n(CO)=bmol、n(H2)= (3b+4d)mol，，容器的體積為2L，故反應(yīng)I的平衡常數(shù)K=

=；

（3）A．適當(dāng)增大反應(yīng)物的投料比n(H2O)：n(CH4)，增大水的量促進(jìn)甲烷轉(zhuǎn)化為CO，促進(jìn)CO轉(zhuǎn)化為CO2，A正確；

B．增大壓強(qiáng)，反應(yīng)Ⅰ的平衡向左移動(dòng)，B錯(cuò)誤；

C．分離出CO2可使平衡向右移動(dòng)，C正確；

答案選AC。

（4）溫度低于T0時(shí)未達(dá)到平衡，溫度升高，反應(yīng)速率加快，NH3的體積分?jǐn)?shù)增大，溫度高于T0時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，該反應(yīng)是正反應(yīng)放熱反應(yīng)，故溫度升高，平衡常數(shù)減小，NH3的體積分?jǐn)?shù)減�。�

設(shè)初始加入n(N2)=amol，n(H2)=3amol，平衡時(shí)H2的轉(zhuǎn)化率為x，則反應(yīng)中消耗的H2的物質(zhì)的量為3axmol，反應(yīng)中消耗的N2的物質(zhì)的量為axmol，生成NH3的物質(zhì)的量為2axmol，則達(dá)到平衡時(shí)，H2的物質(zhì)的量為(3a -3ax)mol，N2的物質(zhì)的量為(a -ax)mol，NH3的物質(zhì)的量為2axmol，在恒溫恒容的容器中壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，故4a：(4a-2ax)= p0：0.9p0，x=20% ，所以平衡時(shí)H2的物質(zhì)的量為2.4amol，N2的物質(zhì)的量為0.8amol，NH3的物質(zhì)的量為0.4amol，則它們各自的分壓分別為：p (H2)= 0.9p0Pa×[2.4a/(2.4a+0.8a+0.4a)]=0.6 p0Pa，p (N2)= 0.9p0Pa×[0.8a/(2.4a+0.8a+0.4a)]=0.2p0Pa，p (NH3)= 0.9p0Pa×[0.4a/(2.4a+0.8a+0.4a)]

=0.1p0Pa，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)Kp= 。