Question

【題目】氫氣是一種清潔能源，氫氣的制取與儲存是氫能源利用領域的研究熱點。

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

CH4(g)+CO2(g)=2CO(g)+2H2(g)△H=+247.4kJ/mol，

以甲烷為原料制取氫氣是工業(yè)上常用的制氫方法。CH4(g)與H2O(g)反應生成CO2(g)和H2(g)的熱化學方程式為______________________________________________________。

（2）工業(yè)上可用H2和CO2制備甲醇，其反應方程式為CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。某溫度下，將1molCO2和3molH2充入體積不變的2L密閉容器中，發(fā)生上述反應，測得不同時刻反應前后的壓強關系如下表所示:

①用H2表示的前2h的平均反應速率v(H2)=_________。

②該溫度下，CO2的平衡轉化率為______________。

（3）在300℃、8MPa下，將CO2和H2按物質的量之比1:3通入一密閉容器中發(fā)生(2)中反應，達到平衡時，測得CO2的平衡轉化率為50%，則該反應條件下的平衡常數(shù)為Kp=_____(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數(shù))。

（4）CO2經催化加氫可合成低碳烯烴:2CO2(g)＋6H2(g)C2H4(g)＋4H2O(g)△H。在0.1MPa時，按n(CO2)：n(H2)=1：3投料，如圖所示為不同溫度(T)下，平衡時四種氣態(tài)物質的物質的量(n)的關系。

①該反應的△H_______0(填“>”或“<”)。

②曲線c表示的物質為______(填化學式)。

Answer 1

【答案】CH4(g) + 2H2O(g) = CO2(g) + 4H2(g) △H = + 165.0 kJ/mol 0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·min-1） 40% 1/48或0.02 < C2H4

【解析】

（1）已知：①CH 4（g）+H 2 O（g）═CO（g）+3H 2（g）△H=+206.2kJ/mol
②CH 4（g）+CO 2（g）═2CO（g）+2H 2（g）△H=+247.4kJ/mol
由蓋斯定律，①×2-②得CH 4（g）+2H 2 O（g）═CO 2（g）+4H 2（g）△H=+165.0 kJ/mol，
故答案為：CH 4（g）+2H 2 O（g）═CO 2（g）+4H 2 （g）△H=+165.0 kJ/mol；

（2）①恒溫恒容時，氣體壓強之比等于其物質的量之比，2h時P后/P前=0.85，

設消耗CO2的物質的量為x mol。

CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g) V

1 3 1 1 2

x mol 2x mol

則有（4-2x） mol/4 mol=0.85 x=0.3

故前2h的平均反應速率v（H2）=0.3 mol×3/2L×2h=0.225 mol·L-1·h-1

②該溫度下，反應進行5h時達到平衡狀態(tài)，此時P后/P前=0.80，設消耗CO2的物質的量為y mol，則有4-2y mol/4 mol=0.80，解得y=0.4，故CO2的平衡轉化率為0.4 mol/1 mol×100%=40%

本題答案:：0.225 mol·L-1·h-1(或13.5 mol·L-1·min-1） ；40%

（3）設開始時投入CO2和H2的物質的量分別為1 mol、3 mol，CO2的平衡轉化率為50%，則有： CO2 ( g) + 3H2 (g)CH3OH(g)+ H2O(g)

起始/ mol 1 3 0 0

轉化/ mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡/ mol 0.5 1.5 0.5 0.5

平衡時p（CO2）=8MPa×0.5 mol/3 mol=4/3 MPa，p（H2）=8MPa×1.5 mol/3 mol=4 MPa，

p（CH3OH）=8MPa×0.5 mol/3 mol=4/3 MPa，p（H2O）=8MPa×0.5 mol/3 mol=4/3 MPa，

故該反應條件下的平衡常數(shù)為Kp= p（CH3OH）·p（H2O）/ p（CO2）·p（H2）= 1/48

（4）①由曲線變化可知隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，說明升高溫度平衡逆向移動，則正反應放熱△H＜0. ②隨著溫度升高，氫氣的物質的量逐漸增多，因氫氣為反應物，則另一條逐漸增多的曲線a代表CO2，C2H4 (g)、H2O (g)都是生成物，隨著平衡逆向移動，二者的物質的量逐漸減小，由計量關系可知曲線a代表水，曲線c代表C2H4

本題答案：＜；C2H4