题目
随着煤和石油等不可再生能源的日益枯竭，同时在“碳达峰”与“碳中和”可持续发展的目标下，作为清洁能源的天然气受到了广泛的关注。甲烷干重整反应（DRM）可以将两种温室气体（CH4和CO2）直接转化为合成气（主要成分为CO和H2），兼具环境效益和经济效益。（1）已知：CH4、CO和H2的燃烧热（ΔH）分别为-893kJ•mol-1、-283kJ•mol-1和-284kJ•mol-1。写出甲烷干重整反应的热化学方程式： ____ 。（2）甲烷干重整过程中可能存在反应：R1：CO2（g）+CH4（g）⇌2CO（g）+2H2（g）（主反应）R2：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）R3：CH4（g）⇌C（s）+2H2（g）R4：2CO（g）⇌C（s）+CO2（g）R5：CO（g）+H2（g）⇌C（s）+H2O（g）各反应的lgK（K为各反应的平衡常数）与温度的关系如图所示。-R-11-|||-←R2-|||-4 ←R3-|||-→R4-|||-3-|||-2 lgk=0-|||-当 ★-|||-0 ,-|||--1 方-|||--2-|||--3-|||-500 600 700 800 900 1000-|||-温度/℃由图可知，为提高主反应的转化率应 ____ （填“升高温度”或“降低温度”）。（3）在1×105Pa、进料配比n（CH4）：n（CO2）=1：1、温度为500～1000℃的条件下，甲烷干重整过程中甲烷的转化率、CO2的转化率和积碳率随着温度变化的规律如图所示。-R-11-|||-←R2-|||-4 ←R3-|||-→R4-|||-3-|||-2 lgk=0-|||-当 ★-|||-0 ,-|||--1 方-|||--2-|||--3-|||-500 600 700 800 900 1000-|||-温度/℃①甲烷干重整的最佳温度为 ____ ℃。②在最佳温度、p条件下，向某2L的恒容密闭容器中加入2mol CO2和2mol CH4，设只发生R1、R2两个反应。达平衡后，测得容器中CO的浓度为1.4mol•L-1，CO2的转化率为90%，则此时R1反应的压强平衡常数Kp= ____ （保留两位有效数字，压强平衡常数用各组分的平衡分压代替物质的量浓度进行计算，平衡分压=物质的量分数×平衡总压强）。（4）恒容绝热条件下仅发生主反应时，下列情况能说明该反应达到平衡状态的有 ____ （填标号）。A．CH4和CO2的转化率相等B．2v（CH4）=v（CO）C．CH4的体积分数保持不变D．体系的温度不再变化（5）合成气可以用于生成甲醇，在容积为2L的恒容密闭容器中加入2mol H2和1mol CO，发生反应H2（g）+CO（g）→CH3OH（g）（未配平），各组分的物质的量随时间的变化如图所示。-R-11-|||-←R2-|||-4 ←R3-|||-→R4-|||-3-|||-2 lgk=0-|||-当 ★-|||-0 ,-|||--1 方-|||--2-|||--3-|||-500 600 700 800 900 1000-|||-温度/℃0～5min内v（H2）= ____ mol•L-1•min-1；15min时改变的条件不可能是 ____ （填标号）。A．充入H2B．充入COC．通入惰性气体
随着煤和石油等不可再生能源的日益枯竭，同时在“碳达峰”与“碳中和”可持续发展的目标下，作为清洁能源的天然气受到了广泛的关注。甲烷干重整反应（DRM）可以将两种温室气体（CH4和CO2）直接转化为合成气（主要成分为CO和H2），兼具环境效益和经济效益。
（1）已知：CH4、CO和H2的燃烧热（ΔH）分别为-893kJ•mol-1、-283kJ•mol-1和-284kJ•mol-1。写出甲烷干重整反应的热化学方程式： ____ 。
（2）甲烷干重整过程中可能存在反应：
R1：CO2（g）+CH4（g）⇌2CO（g）+2H2（g）（主反应）
R2：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）
R3：CH4（g）⇌C（s）+2H2（g）
R4：2CO（g）⇌C（s）+CO2（g）
R5：CO（g）+H2（g）⇌C（s）+H2O（g）
各反应的lgK（K为各反应的平衡常数）与温度的关系如图所示。
由图可知，为提高主反应的转化率应 ____ （填“升高温度”或“降低温度”）。
（3）在1×105Pa、进料配比n（CH4）：n（CO2）=1：1、温度为500～1000℃的条件下，甲烷干重整过程中甲烷的转化率、CO2的转化率和积碳率随着温度变化的规律如图所示。
①甲烷干重整的最佳温度为 ____ ℃。
②在最佳温度、p条件下，向某2L的恒容密闭容器中加入2mol CO2和2mol CH4，设只发生R1、R2两个反应。达平衡后，测得容器中CO的浓度为1.4mol•L-1，CO2的转化率为90%，则此时R1反应的压强平衡常数Kp= ____ （保留两位有效数字，压强平衡常数用各组分的平衡分压代替物质的量浓度进行计算，平衡分压=物质的量分数×平衡总压强）。
（4）恒容绝热条件下仅发生主反应时，下列情况能说明该反应达到平衡状态的有 ____ （填标号）。
A．CH4和CO2的转化率相等
B．2v（CH4）=v（CO）
C．CH4的体积分数保持不变
D．体系的温度不再变化
（5）合成气可以用于生成甲醇，在容积为2L的恒容密闭容器中加入2mol H2和1mol CO，发生反应H2（g）+CO（g）→CH3OH（g）（未配平），各组分的物质的量随时间的变化如图所示。
0～5min内v（H2）= ____ mol•L-1•min-1；15min时改变的条件不可能是 ____ （填标号）。
A．充入H2
B．充入CO
C．通入惰性气体
（1）已知：CH4、CO和H2的燃烧热（ΔH）分别为-893kJ•mol-1、-283kJ•mol-1和-284kJ•mol-1。写出甲烷干重整反应的热化学方程式： ____ 。
（2）甲烷干重整过程中可能存在反应：
R1：CO2（g）+CH4（g）⇌2CO（g）+2H2（g）（主反应）
R2：CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）
R3：CH4（g）⇌C（s）+2H2（g）
R4：2CO（g）⇌C（s）+CO2（g）
R5：CO（g）+H2（g）⇌C（s）+H2O（g）
各反应的lgK（K为各反应的平衡常数）与温度的关系如图所示。
由图可知，为提高主反应的转化率应 ____ （填“升高温度”或“降低温度”）。
（3）在1×105Pa、进料配比n（CH4）：n（CO2）=1：1、温度为500～1000℃的条件下，甲烷干重整过程中甲烷的转化率、CO2的转化率和积碳率随着温度变化的规律如图所示。
①甲烷干重整的最佳温度为 ____ ℃。
②在最佳温度、p条件下，向某2L的恒容密闭容器中加入2mol CO2和2mol CH4，设只发生R1、R2两个反应。达平衡后，测得容器中CO的浓度为1.4mol•L-1，CO2的转化率为90%，则此时R1反应的压强平衡常数Kp= ____ （保留两位有效数字，压强平衡常数用各组分的平衡分压代替物质的量浓度进行计算，平衡分压=物质的量分数×平衡总压强）。
（4）恒容绝热条件下仅发生主反应时，下列情况能说明该反应达到平衡状态的有 ____ （填标号）。
A．CH4和CO2的转化率相等
B．2v（CH4）=v（CO）
C．CH4的体积分数保持不变
D．体系的温度不再变化
（5）合成气可以用于生成甲醇，在容积为2L的恒容密闭容器中加入2mol H2和1mol CO，发生反应H2（g）+CO（g）→CH3OH（g）（未配平），各组分的物质的量随时间的变化如图所示。
0～5min内v（H2）= ____ mol•L-1•min-1；15min时改变的条件不可能是 ____ （填标号）。
A．充入H2
B．充入CO
C．通入惰性气体
题目解答
答案
解：（1）根据题干信息，甲烷干重整反应（DRM）可以将两种温室气体（CH4和CO2）直接转化为合成气（主要成分为CO和H2），该反应方程式为CH4（g）+CO4（g）⇌2CO（g）+2H2（g），CH4、CO和H2的燃烧热（ΔH）分别为-893kJ•mol-1、-283kJ•mol-1和-284kJ•mol-1，写出热化学方程式为①CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）ΔH1=-893kJ/mol，②$CO（g）+\frac{1}{2}{O}_{2}（g）=C{O}_{2}（g）\;Δ{H}_{2}=-283kJ/mol$，③${H}_{2}（g）+\frac{1}{2}{O}_{2}（g）={H}_{2}O（l）\;Δ{H}_{3}=-284kJ/mol$，根据盖斯定律，①-2×②-2×③得到CH4（g）+CO4（g）⇌2CO（g）+2H2（g），故该反应的ΔH=ΔH1-2ΔH2-2ΔH3=+241kJ/mol，
故答案为：CH4（g）+CO4（g）⇌2CO（g）+2H2（g）ΔH=+241kJ/mol；
（2）从图中看出，随温度升高，主反应R1及R2、R3反应的lgK都增大，平衡常数增大，平衡都正向移动，R4、R5反应的lgK都减小，平衡常数减小，平衡逆向移动，但温度升高主反应R1的lgK与温度关系曲线的斜率，即正向反应程度大，转化率高，故升高温度，有利于提高主反应的转化率，
故答案为：升高温度；
（3）①从图中可看出，随温度升高，甲烷干重整过程中甲烷的转化率增大、CO2的转化率增大和积碳率减小，温度升高到900℃后CH4的转化率与CO2的转化率几乎相等，且达到97%以上，900℃后积碳率很低，说明几乎只发生甲烷干重整主反应R1，故甲烷干重整的最佳温度为900℃，
故答案为：900℃；
②设R1反应中CO2的物质的量变化量为xmol，R2反应中的物质的量变化量为ymol，由已知条件可知，平衡时CO2的转化率为90%，CO的浓度为1.4mol/L，根据三段式分析，
CO2（g）+CH4（g）⇌2CO（g）+2H2（g）$\begin{array}{c}\end{array}$
起始/mol：2 2 0 0
变化/mol：a a 2a 2a
CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）
起始/mol：2 2 0 0
变化/mol：b b b b
则$\frac{x+y}{2}×100%=90%$，$\frac{2x+y}{2}=1.4mol/L$，解得x=1mol，y=0.8mol，平衡时，CO2物质的量为0.2mol，CH4物质的量为1mol，CO物质的量为2.8mol，H2物质的量为1.2mol，H2O物质的量为0.8mol，气体总物质的量为6mol，平衡时气体总压强为${p}_{总}=\frac{6mol}{4mol}×{p}_{初}=1.5p$，R1反应的${K}_{p}=\frac{[{p}_{总}×\frac{n（CO）}{{n}_{总}}]^{2}×[{p}_{总}×\frac{n（{H}_{2}）}{{n}_{总}}]^{2}}{[{p}_{总}×\frac{n（C{O}_{2}）}{{n}_{总}}]×[{p}_{总}×\frac{n（C{H}_{4}）}{{n}_{总}}]}=\frac{（1.5p×\frac{2.8}{6}）^{2}×（1.5p×\frac{1.2}{6}）^{2}}{（1.5p×\frac{0.2}{6}）×（1.5p×\frac{1}{6}）}≈3.5{p}^{2}$，
故答案为：3.5p2；
（4）A．CO2和CH4的转化率相等，不能说明该反应达到平衡状态，故A错误；
B．2v（CH4）=v（CO），未说明反应速率表示的方向，不能体现v（正）=v（逆），不能说明该反应达到平衡状态，故B错误；
C．随反应进行CH4的体积分数减小，则CH4的体积分数保持不变，能说明该反应达到平衡状态，故C正确；
D．该反应为吸热反应，随反应进行，体系的温度降低，温度不再变化，能说明该反应达到平衡状态，故D正确；
故答案为：CD；
（5）从图中可看出，5min时，CH3OH（g）的物质的量为0.2mol，则根据2H2（g）+CO（g）⇌CH3OH（g）可知，消耗的H2（g）的物质的量为0.4mol，0～5min内$v（{H}_{2}）=\frac{\frac{0.4mol}{2L}}{5min}=0.04mol•{L}^{-1}•mi{n}^{-1}$；反应10～15min处于平衡状态，15min时，改变条件后，CH3OH（g）的物质的量逐渐增加，H2（g）的物质的量在原平衡状态下逐渐减小，说明平衡正移：
A．若充入H2（g），平衡正移，但H2（g）总量不是在原平衡基础上逐渐减小，而应是15min时显著增加，平衡正移，H2（g）逐渐减小，故A错误；
B．充入CO，平衡正移，H2（g）的物质的量逐渐减小，CH3OH（g）的物质的量逐渐增加，故B正确；
C．通入惰性气体，恒容密闭容器体积不变，总压增大，但各组分分压不变，平衡不移动，故C错误；
故答案为：0.04；AC。
故答案为：CH4（g）+CO4（g）⇌2CO（g）+2H2（g）ΔH=+241kJ/mol；
（2）从图中看出，随温度升高，主反应R1及R2、R3反应的lgK都增大，平衡常数增大，平衡都正向移动，R4、R5反应的lgK都减小，平衡常数减小，平衡逆向移动，但温度升高主反应R1的lgK与温度关系曲线的斜率，即正向反应程度大，转化率高，故升高温度，有利于提高主反应的转化率，
故答案为：升高温度；
（3）①从图中可看出，随温度升高，甲烷干重整过程中甲烷的转化率增大、CO2的转化率增大和积碳率减小，温度升高到900℃后CH4的转化率与CO2的转化率几乎相等，且达到97%以上，900℃后积碳率很低，说明几乎只发生甲烷干重整主反应R1，故甲烷干重整的最佳温度为900℃，
故答案为：900℃；
②设R1反应中CO2的物质的量变化量为xmol，R2反应中的物质的量变化量为ymol，由已知条件可知，平衡时CO2的转化率为90%，CO的浓度为1.4mol/L，根据三段式分析，
CO2（g）+CH4（g）⇌2CO（g）+2H2（g）$\begin{array}{c}\end{array}$
起始/mol：2 2 0 0
变化/mol：a a 2a 2a
CO2（g）+H2（g）⇌CO（g）+H2O（g）
起始/mol：2 2 0 0
变化/mol：b b b b
则$\frac{x+y}{2}×100%=90%$，$\frac{2x+y}{2}=1.4mol/L$，解得x=1mol，y=0.8mol，平衡时，CO2物质的量为0.2mol，CH4物质的量为1mol，CO物质的量为2.8mol，H2物质的量为1.2mol，H2O物质的量为0.8mol，气体总物质的量为6mol，平衡时气体总压强为${p}_{总}=\frac{6mol}{4mol}×{p}_{初}=1.5p$，R1反应的${K}_{p}=\frac{[{p}_{总}×\frac{n（CO）}{{n}_{总}}]^{2}×[{p}_{总}×\frac{n（{H}_{2}）}{{n}_{总}}]^{2}}{[{p}_{总}×\frac{n（C{O}_{2}）}{{n}_{总}}]×[{p}_{总}×\frac{n（C{H}_{4}）}{{n}_{总}}]}=\frac{（1.5p×\frac{2.8}{6}）^{2}×（1.5p×\frac{1.2}{6}）^{2}}{（1.5p×\frac{0.2}{6}）×（1.5p×\frac{1}{6}）}≈3.5{p}^{2}$，
故答案为：3.5p2；
（4）A．CO2和CH4的转化率相等，不能说明该反应达到平衡状态，故A错误；
B．2v（CH4）=v（CO），未说明反应速率表示的方向，不能体现v（正）=v（逆），不能说明该反应达到平衡状态，故B错误；
C．随反应进行CH4的体积分数减小，则CH4的体积分数保持不变，能说明该反应达到平衡状态，故C正确；
D．该反应为吸热反应，随反应进行，体系的温度降低，温度不再变化，能说明该反应达到平衡状态，故D正确；
故答案为：CD；
（5）从图中可看出，5min时，CH3OH（g）的物质的量为0.2mol，则根据2H2（g）+CO（g）⇌CH3OH（g）可知，消耗的H2（g）的物质的量为0.4mol，0～5min内$v（{H}_{2}）=\frac{\frac{0.4mol}{2L}}{5min}=0.04mol•{L}^{-1}•mi{n}^{-1}$；反应10～15min处于平衡状态，15min时，改变条件后，CH3OH（g）的物质的量逐渐增加，H2（g）的物质的量在原平衡状态下逐渐减小，说明平衡正移：
A．若充入H2（g），平衡正移，但H2（g）总量不是在原平衡基础上逐渐减小，而应是15min时显著增加，平衡正移，H2（g）逐渐减小，故A错误；
B．充入CO，平衡正移，H2（g）的物质的量逐渐减小，CH3OH（g）的物质的量逐渐增加，故B正确；
C．通入惰性气体，恒容密闭容器体积不变，总压增大，但各组分分压不变，平衡不移动，故C错误；
故答案为：0.04；AC。