Question

【題目】甲烷水蒸氣重整和水氣變換是傳統(tǒng)的制氫方法，反應如下 ：

①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2 (g) △H1= 206kJmol-1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2= - 4 1 kJmol-1

近期報道，用二氧化碳作為氧化劑和甲烷重整制氫的新反應路線如下，可生成適宜 H2/ CO 的合成氣。

③CH4 (g)+CO2 (g)2CO(g)+2H2(g) △H3

(1)下列措施最有利于提高反應③CH4的平衡轉(zhuǎn)化率條件是______________。

A. 升高溫度，同時對原料氣進行加壓 B. 降低溫度，同時對原料氣進行加壓

C. 升高溫度，同時用氬氣稀釋原料氣 D. 降低溫度，同時用氬氣稀釋原料氣

(2)重整反應器中以上三個反應都在發(fā)生，不同反應條件下達到平衡時的進程如下：

I.根據(jù)圖1，在_________ ( 填寫反應條件）時CO2的轉(zhuǎn)化率為負值，主要原因：一是 CO2穩(wěn)定性較高，低濃度時難以和甲烷反應；二是 ___________。

II.根據(jù)圖，2隨著反應溫度和反應物中的提高，體系中反應____填①、②、③）逐漸占據(jù)主導。若 850℃、為0.5時重整反應器中達到平衡時，體系中CO2和水蒸氣濃度相等，求此條件下反應②的平衡常數(shù)K=__。

(3)固體氧化物電解池(傳導O2-)將CO2 和H2O 轉(zhuǎn)化為n(H2):n(CO)=1的合成氣并聯(lián)產(chǎn)高純度O2，寫出電解池陰極反應式__________________。

Answer 1

【答案】C Ⅰ．反應溫度低于 800℃、二氧化碳水蒸氣摩爾比等于 0.2 相對較多的 H2O(g)以及較低的溫度，使反應②平衡正向移動，反應③平衡逆向移動，CO2濃度上升 ③ 2 CO2＋H2O＋4e-＝CO＋H2＋2O2-

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律判斷反應③是吸熱還是放熱反應，提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，平衡正向移動，據(jù)此分析；

(2)I．結(jié)合圖像1曲線的位置分析CO2的轉(zhuǎn)化率為負值的條件；根據(jù)比值中，二氧化碳和水蒸氣的所占比例對平衡移動的影響分析；

II．在不變的條件下，升高溫度比值減小，反應②為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動；結(jié)合圖像數(shù)據(jù)對應點數(shù)據(jù)，求解反應②平衡常數(shù)K；

(3)根據(jù)題意，該電解池的總反應為CO2+H2OH2+CO+O2，電解池中陽極失電子被氧化，陰極得電子被還原。

(1)已知：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2 (g) △H1= 206kJmol-1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2= - 41 kJmol-1

根據(jù)蓋斯定律，①-②=③，則③CH4 (g)+ CO2 (g) 2CO(g)+ 2H2(g) △H3=△H1-△H2=247 kJmol-1，故反應③是吸熱反應，且正反應方向是氣體體積增大的反應體系，要提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，則平衡需要正向移動，方法為升高溫度，同時用氬氣稀釋原料氣，答案選C；

(2)I．結(jié)合圖像1曲線的位置分析CO2的轉(zhuǎn)化率為負值的條件為：反應溫度低于 800℃、 =0.2；=0.2，說明水蒸氣的含量大，相對較多的 H2O(g)以及較低的溫度，使反應②平衡正向移動，反應③平衡逆向移動，CO2濃度上升；

II．在不變的條件下，三個反應中，反應②為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動，氫氣的量減少，一氧化碳的量增大，升高溫度比值減小，升高溫度反應①③正向移動，由于圖像走向，比值趨向于1，故起主導的為反應③；

若850℃、為 0. 5 時，，重整反應器中達到平衡時，體系中 CO2和水蒸氣濃度相等，此時曲線上=2，即=2，反應CO(g)+ H2O(g)CO2(g) +H2(g) 的平衡常數(shù)K==2；

(3)根據(jù)題意，該電解池的總反應為CO2+H2OH2+CO+O2，電解池中陽極失電子被氧化，陰極得電子被還原，固體氧化物電解池(傳導O2-)，陽極：2O2—4e-=O2，總反應減去陽極反應可得陰極反應為：CO2＋H2O＋4e-＝CO＋H2＋2O2-。