Question

【題目】碳氫化合物有多種，它們在工業(yè)生產(chǎn)、生活中有重要用途。

(1)石油危機日漸嚴重，甲烷的轉(zhuǎn)化和利用在天然氣化工行業(yè)有非常重要的作用。甲烷重整技術(shù)主要是利用甲烷和其他原料來制備合成氣(CO和H2混合氣體)�，F(xiàn)在常見的重整技術(shù)有甲烷-水蒸氣重整，其反應(yīng)為:CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) ΔH>0

如圖為反應(yīng)壓強為0.3 MPa，投料比n(H2O)/n(CH4)為1，在三種不同催化劑催化作用下，甲烷-水蒸氣重整反應(yīng)中CH4轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的關(guān)系。

下列說法正確的是________。

A．在相同條件下，三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ

B．b點CH4的轉(zhuǎn)化率高于a點，原因是b、a兩點均未達到平衡狀態(tài)，b點溫度高，反應(yīng)速率較快，故CH4的轉(zhuǎn)化率較大

C．C點一定未達到平衡狀態(tài)

D．催化劑只改變反應(yīng)速率不改變平衡移動，所以在850℃時，不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達平衡時CH4的轉(zhuǎn)化率相同

(2) 乙炔(C2H2)在氣焊、氣割及有機合成中用途非常廣泛，甲烷在1500℃左右氣相裂解法生產(chǎn)，裂解反應(yīng)：2CH4(g)=C2H2(g)+3H2(g)的△H= +376.4kJ/mol。

哈斯特研究得出當甲烷分解時，幾種氣體平衡時分壓(Pa)與溫度(℃)的關(guān)系如圖所示。

①T1℃時，向1L恒容密閉容器中充入0.3 mol CH4只發(fā)生反應(yīng)2CH4(g) C2H4(g)+2H2(g)，達到平衡時，測得c(C2H4)=c(CH4)。該反應(yīng)的△H____0(填“>”或“<”)，CH4的平衡轉(zhuǎn)化率為____%(保留3位有效數(shù)字)。上述平衡狀態(tài)某一時刻，若改變溫度至T2℃，CH4以0.01mol/(L·s)的平均速率增多，經(jīng)ts后再次達到平衡，平衡時，c(CH4)=2c(C2H4)，則T1_____(填“>”或“<”)T2，t=______s。

②由圖可知，甲烷裂解制乙炔有副產(chǎn)物乙烯生成，為提高甲烷制乙炔的轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施有___________。

Answer 1

【答案】BD > 66.7% > 5 可以充入適量的乙烯 （或采用選擇性好的催化劑）

【解析】

(1)根據(jù)催化劑能增大反應(yīng)速率，降低活化能，但不影響化學(xué)平衡分析；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)；

(2)①分解反應(yīng)絕大多數(shù)為吸熱反應(yīng)；設(shè)出CH4的轉(zhuǎn)化濃度，然后根據(jù)三段式，利用c(C2H4)=c(CH4)來解答；根據(jù)改變溫度后，CH4的濃度升高來判斷溫度的變化；表示出變化后的CH4和C2H4的濃度，然后根據(jù)c(CH4)=2c(C2H4)來計算；

②甲烷裂解制乙炔有副產(chǎn)物乙烯生成，為提高甲烷制乙炔的轉(zhuǎn)化率，可以充入適量的乙烯。

(1)A．在相同條件下，轉(zhuǎn)化率越高催化效率越高，根據(jù)圖象可知，相同穩(wěn)定性甲烷的轉(zhuǎn)化率Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，則三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅲ＞Ⅱ＞Ⅰ，故A錯誤；

B．b、a兩點均未達到平衡狀態(tài)，溫度越高反應(yīng)速率較快，CH4的轉(zhuǎn)化率較大，溫度：b＞a，則b點CH4的轉(zhuǎn)化率高于a點，故B正確；

C．相同溫度時c點甲烷轉(zhuǎn)化率最高，此時可能達到平衡狀態(tài)，故C錯誤；

D．催化劑不影響化學(xué)平衡，則850℃時，不同催化劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下達平衡時CH4的轉(zhuǎn)化率相同，故D正確；

故答案為BD；

(2)①反應(yīng)2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)為分解反應(yīng)，而分解反應(yīng)絕大多數(shù)為吸熱反應(yīng)，故此反應(yīng)為吸熱反應(yīng)；

設(shè)CH4的轉(zhuǎn)化濃度為Xmol/L，可知：

2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)

初始濃度（mol/L） 0.3 0 0

濃度變化（mol/L） x 0.5x x

平衡濃度（mol/L）(0.3-x) 0.5x x

根據(jù)c(C2H4)=c(CH4)可知：0.3-x=，解得x=0.2mol/L；

故CH4的平衡轉(zhuǎn)化率=×100%=66.7%；

改變溫度后，CH4的濃度升高，即平衡左移，即溫度應(yīng)為降低，即T1＞T2；

由于CH4以0.01mol/(Ls)的平均速率增多，經(jīng)ts后再次達到平衡，故在ts的時間內(nèi)，CH4的濃度變化為0.01tmol/L，根據(jù)濃度的該變量之比等于計量數(shù)之比，利用三段式來計算：

2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)

初始濃度（mol/L）0.1 0.1

濃度改變（mol/L）0.01t 0.005t

平衡濃度（mol/L）(0.1+0.01t) (0.1-0.005t)

由于c(CH4)=2c(C2H4)，故有：0.1+0.01t=2×(0.1-0.005t)，解得t=5s；

②甲烷裂解制乙炔有副產(chǎn)物乙烯生成，充入適量的乙烯，可抑制甲烷向乙烯的轉(zhuǎn)化，從而提高甲烷制乙炔的轉(zhuǎn)化率。