Question

【題目】合成氨所需H2取自CH4，CH4和O2作用成CO2、H2（反應①），然而CH4和O2反應還能生成CO2、H2O（反應②），當有水生成時，H2O和CH4反應（反應③）。下表 為三個反應在不同溫度下的平衡常數K。

（1）反應①的平衡常數K①的表達式為_______________。

（2）反應①②③的平衡常數K①、K②、K③之間的關系為K②=_____________（用含K①、 K③的式子表示）。反應①②③的反應焓變：ΔH①、ΔH②、ΔH③之間的關系為ΔH①= _____________（用含ΔH②、ΔH③的式子表示）。

（3）恒溫條件下，反應③的能量與反應進程關系應對應下圖中的_____________，反應② 的能量與反應進程關系應對應下圖中的_____________。

（4）為使反應盡可能按生成H2的方向進行，若只考慮反應③，且不降低反應速率，可采 取__________措施；若只考慮反應①②，除采取控溫措施外，還可采取_____________（寫出兩條措施即可）。

（5）250℃時，以鎳合金為催化劑，發生CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)，向40L 的密閉容器中通入6molCO2(g)和6molCH4(g)，平衡時測得體系中CH4的體積分數 為10%，則混合氣體的密度為______g/L，CO2的轉化率為__________（保留三位有效數字）。

Answer 1

【答案】 K①2/K③ (△H②＋△H③)/2 D B 升高溫度 CH4和O2投入比為1：1，或使用只催化反應①的催化劑，或者適當減壓 9 66.7%

【解析】

（1）根據化學平衡常數表達式，K①=；

（2）K①=，K②=，K③=，因此K②=K①2/K③；根據目標反應方程式，△H①=(△H②＋△H③)/2；

（3）根據表中數據，隨著溫度的升高，反應③的化學平衡常數增大，根據勒夏特列原理，反應③的正反應方向為吸熱反應，即△H>0，反應物總能量低于生成物總能量，故圖D正確；同理反應②正反應為放熱反應，反應物總能量高于生成物總能量，反應②平衡常數大，說明活化能較低，故圖B正確；

（4）根據(3)，反應③為吸熱反應，反應向正反應方向移動，可以升高溫度；反應①②向正反應方向移動，不降低反應速率，可以采取的措施為CH4和O2投入比為1：1，或使用只催化反應①的催化劑，或者適當減壓；

（5）令達到平衡消耗CO2的物質的量為xmol，CO2(g)+CH4(g) 2CO(g)+2H2(g)

6 6 0 0

x x 2x 2x

6－x 6－x 2x 2x

CH4的體積分數(6－x)/(12＋2x)×100%=10%，解得x=4，組分都是氣體，氣體總質量為(6mol×44g·mol－1＋6mol×14g·mol－1)=360g，容器體積為40L，則氣體密度為360g/40L=9g·L－1；CO2的轉化率為4mol/6mol×100%=66.7%。