Question

3．甲烷水蒸氣重整制合成氣是利用甲烷資源的途徑之一，該過(guò)程的主要反應(yīng)是
反應(yīng)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
則反應(yīng)①的△H=△H₁-△H₂-3×△H₃（用△H₁、△H₂和△H₃表示）．
（2）其他條件相同，反應(yīng)①在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CH₄的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖1所示．

①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．
②a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是（填“是”或“不是”）平衡狀態(tài)．
③c點(diǎn)CH₄的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，原因是b和c都沒(méi)平衡，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率快，相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率高．
（3）反應(yīng)①在恒容密閉反應(yīng)器中進(jìn)行，CH₄和H₂O的起始物質(zhì)的量之比為1：2，10h后CH₄的轉(zhuǎn)化率為80%，并測(cè)得c（H₂O）=0.132mol•L^-1，計(jì)算0～10h內(nèi)消耗CH₄的平均反應(yīng)速率（寫(xiě)出計(jì)算過(guò)程，結(jié)果保留2位有效數(shù)字）．
（4）在如圖2的坐標(biāo)圖中，畫(huà)出反應(yīng)①分別在700℃和850℃下進(jìn)行時(shí)，CH₄的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間t變化的示意圖（進(jìn)行必要標(biāo)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
利用蓋斯定律將①-②-3×③可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）的反應(yīng)熱；
（2）根據(jù)圖象，反應(yīng)①在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CH₄的轉(zhuǎn)化率為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，結(jié)合催化劑只改變反應(yīng)速率不改變平衡移動(dòng)，所以最終不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達(dá)平衡時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率相同；
（3）依據(jù)化學(xué)平衡的三段式結(jié)合平均反應(yīng)速率V=$\frac{△c}{△t}$列式計(jì)算；
（4）CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0，根據(jù)溫度減小反應(yīng)速率減小及達(dá)到平衡時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率減小，據(jù)此畫(huà)出在700℃和850℃下進(jìn)行時(shí)，CH₄的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間t變化的示意圖．

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
利用蓋斯定律將①-②-3×③可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
△H=△H₁-△H₂-3×△H₃，
故答案為：△H₁-△H₂-3×△H₃；
（2）①根據(jù)圖象，反應(yīng)①在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CH₄的轉(zhuǎn)化率為Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，所以三種催化劑Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的順序是Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ，故答案為：Ⅰ＞Ⅱ＞Ⅲ；
②因?yàn)榇呋瘎┲桓淖兎磻?yīng)速率不改變平衡移動(dòng)，所以最終不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達(dá)平衡時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率相同，故a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，
故答案為：不是；
③此時(shí)反應(yīng)一直向正反應(yīng)方向移動(dòng)，b和c都沒(méi)平衡，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率快，相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率高，所以c點(diǎn)CH₄的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，
故答案為：b和c都沒(méi)平衡，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率快，相同時(shí)間內(nèi)轉(zhuǎn)化率高；
（3）依據(jù)化學(xué)平衡的三段式列式計(jì)算，設(shè)CH₄與H₂O（g）物質(zhì)的量為a，2a；
                             CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol•L^-1）    a            2a                 0             0
變化量（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的轉(zhuǎn)化率為80%，則$\frac{2a-0.132}{a}$=80%，解得a=0.11，所以0～10h內(nèi)消耗CH₄的平均反應(yīng)速率V=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{（2×0.11-0.132）mol/L}{10h}$=8.8×10^-3mol/（L•h），
答：0～10h內(nèi)消耗CH₄的平均反應(yīng)速率為8.8×10^-3mol/（L•h）；
（4）700℃時(shí)化學(xué)反應(yīng)速率比850℃的小，曲線斜率則700℃小，達(dá)到平衡需要的時(shí)間長(zhǎng)，由于該反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，溫度降低，CH₄的轉(zhuǎn)化率也減小，所以達(dá)到平衡時(shí)700℃時(shí)CH₄的轉(zhuǎn)化率比850℃的小，據(jù)此畫(huà)出700℃時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化的示意圖為，
故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，涉及蓋斯定律的應(yīng)用及其化學(xué)平衡的影響因素、化學(xué)平衡的計(jì)算，為高考常見(jiàn)題型，題目難度中等，注意明確化學(xué)平衡的影響因素，掌握利用三段式進(jìn)行化學(xué)平衡的計(jì)算方法．