Question

【題目】氫氣是重要的化工原料，甲烷和水蒸氣在高溫和催化劑存在的條件下生成一氧化碳和氫氣，工業(yè)上稱為“甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化法”。

（1）已知有關(guān)反應(yīng)的能量變化如下圖：

則甲烷和水蒸氣反應(yīng)生成一氧化碳和氫氣的熱化學(xué)方程式為_______________________________；

（2）已若該反應(yīng)在700℃，1 MPa時(shí)，1 mol CH4與1 mol H2O在1 L的密閉容器中反應(yīng)，反應(yīng)中氫氣濃度隨時(shí)間的變化如右圖，6min達(dá)到平衡。該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為______________（結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)字）。由第一次平衡到第二次平衡，平衡移動(dòng)的方向是_____________，采取的措施可能是___________________。

（3）右圖中a、b、c、d四條曲線中的兩條代表壓強(qiáng)分別為1Mpa、2Mpa時(shí)甲烷含量曲線，其中表示1Mpa的是________（填字母）。

在實(shí)際生產(chǎn)中采用圖中M點(diǎn)而不是N 點(diǎn)對應(yīng)的反應(yīng)條件，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和平衡知識，同時(shí)考慮實(shí)際生產(chǎn)，說明選擇該反應(yīng)條件的主要原因是________________________________。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH=+161.1kJ/mol 276.5mol2·L-2 逆反應(yīng)方向 反應(yīng)體積減小一半或加入等量H2 a 壓強(qiáng)越小越有利于該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，有利于提高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)降低了增大壓強(qiáng)的成本；溫度越低越有利于該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，CH4轉(zhuǎn)化率大，700℃催化劑活性溫度，反應(yīng)的速率快；所以M 點(diǎn)較為合適。

【解析】(1)由圖1可知：①H2(g)+O2(g)→H2O(g)△H=-241.8kJ/mol；②CH4(g)+O2(g)→CO(g)+2H2O(g)△H=-564.3kJ/mol；由蓋斯定律可知，②-3×①得CH4(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)△H=-564.3kJ/mol-3×(-241.8kJ/mol)=+161.1kJ/mol，故答案為：CH4(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g)△H=+161.1kJ/mol；

(2) CH4(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

起始(mol/L)： 1 1 0 0

變化(mol/L)：0.8 0.8 0.8 2.4

平衡(mol/L)：0.2 0.2 0.8 2.4

該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K==276.5mol2L-2；由圖可知，在7min時(shí)，氫氣的濃度增大了一倍，可能是縮小體積為原來的或增加了等量的氫氣，無論是增大壓強(qiáng)，還是增大氫氣的濃度，平衡均是逆向移動(dòng)，故答案為：276.5mol2L-2；向逆反應(yīng)方向；將容器體積縮小為原來的或加入等量的氫氣；

(3)由CH4(g)+H2O(g)=CO2(g)+3H2(g)△H=+161.1kJ/mol可知，隨著溫度的升高，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲烷的平衡含量會(huì)逐漸減小，因此排除曲線c、d，又因增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，甲烷的平衡含量增大，故1Mpa是曲線a，2Mpa的是曲線b；壓強(qiáng)越小越有利于該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，有利于提高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)降低了增大壓強(qiáng)的成本；溫度越低越有利于該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，CH4轉(zhuǎn)化率大，700℃催化劑活性溫度，反應(yīng)的速率快；所以實(shí)際生產(chǎn)中采用圖中M點(diǎn)而不是N點(diǎn)，故答案為：a；壓強(qiáng)越小越有利于該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，有利于提高轉(zhuǎn)化率，同時(shí)降低了增大壓強(qiáng)的成本；溫度越低越有利于該反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，CH4轉(zhuǎn)化率大，700℃催化劑活性溫度，反應(yīng)的速率快。