Question

3．甲烷水蒸气重整制合成气是利用甲烷资源的途径之一，该过程的主要反应是
反应①：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0
（1）已知：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802kJ•mol^-1
CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
则反应①的△H=△H₁-△H₂-3×△H₃（用△H₁、△H₂和△H₃表示）．
（2）其他条件相同，反应①在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CH₄的转化率随反应温度的变化如图1所示．

①在相同条件下，三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ．
②a点所代表的状态不是（填“是”或“不是”）平衡状态．
③c点CH₄的转化率高于b点，原因是b和c都没平衡，c点温度高，反应速率快，相同时间内转化率高．
（3）反应①在恒容密闭反应器中进行，CH₄和H₂O的起始物质的量之比为1：2，10h后CH₄的转化率为80%，并测得c（H₂O）=0.132mol•L^-1，计算0～10h内消耗CH₄的平均反应速率（写出计算过程，结果保留2位有效数字）．
（4）在如图2的坐标图中，画出反应①分别在700℃和850℃下进行时，CH₄的转化率随时间t变化的示意图（进行必要标注）．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
利用盖斯定律将①-②-3×③可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）的反应热；
（2）根据图象，反应①在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CH₄的转化率为Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，结合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；
（3）依据化学平衡的三段式结合平均反应速率V=$\frac{△c}{△t}$列式计算；
（4）CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0，根据温度减小反应速率减小及达到平衡时CH₄的转化率减小，据此画出在700℃和850℃下进行时，CH₄的转化率随时间t变化的示意图．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=-802kJ•mol^-1
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
利用盖斯定律将①-②-3×③可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
△H=△H₁-△H₂-3×△H₃，
故答案为：△H₁-△H₂-3×△H₃；
（2）①根据图象，反应①在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CH₄的转化率为Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，所以三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，故答案为：Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ；
②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，
故答案为：不是；
③此时反应一直向正反应方向移动，b和c都没平衡，c点温度高，反应速率快，相同时间内转化率高，所以c点CH₄的转化率高于b点，
故答案为：b和c都没平衡，c点温度高，反应速率快，相同时间内转化率高；
（3）依据化学平衡的三段式列式计算，设CH₄与H₂O（g）物质的量为a，2a；
                             CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol•L^-1）    a            2a                 0             0
变化量（mol•L^-1）   2a-0.132  2a-0.132  2a-0.132  6a-0.396
平衡量（mol•L^-1）   0.132-a  0.132    2a-0.132  6a-0.396
10h后CH₄的转化率为80%，则$\frac{2a-0.132}{a}$=80%，解得a=0.11，所以0～10h内消耗CH₄的平均反应速率V=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{（2×0.11-0.132）mol/L}{10h}$=8.8×10^-3mol/（L•h），
答：0～10h内消耗CH₄的平均反应速率为8.8×10^-3mol/（L•h）；
（4）700℃时化学反应速率比850℃的小，曲线斜率则700℃小，达到平衡需要的时间长，由于该反应为吸热反应，温度降低，CH₄的转化率也减小，所以达到平衡时700℃时CH₄的转化率比850℃的小，据此画出700℃时CO₂的转化率随时间变化的示意图为，
故答案为：．

点评 本题考查较为综合，涉及盖斯定律的应用及其化学平衡的影响因素、化学平衡的计算，为高考常见题型，题目难度中等，注意明确化学平衡的影响因素，掌握利用三段式进行化学平衡的计算方法．