Question

【題目】氫能是一種極具發(fā)展?jié)摿Φ那鍧嵞茉矗?/span>CH4—H2O催化重整是目前大規(guī)模制取氫氣的重要方法。

(1)CH4－H2O催化重整：

反應(yīng)Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol

反應(yīng)Ⅱ: CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2 =﹣41kJ/mol

①提高CH4平衡轉(zhuǎn)化率的條件是________。

a．增大壓強 b．加入催化劑 c．增大水蒸氣濃度

②CH4、H2O催化重整生成CO2、H2的熱化學方程式是________。

③在密閉容器中，將2.0 mol CO與8.0 mol H2O混合加熱到800℃發(fā)生反應(yīng)Ⅱ，達到平衡時CO的轉(zhuǎn)化率是80%，其平衡常數(shù)為 _________。

(2)實驗發(fā)現(xiàn)，其他條件不變，相同時間內(nèi)，向催化重整體系中投入一定量的CaO可以明顯提高H2的百分含量。做對比實驗，結(jié)果如下圖所示：

①投入CaO時，H2百分含量增大的原因是：_________。

②投入納米CaO時，H2百分含量增大的原因是：__________。

(3)反應(yīng)中催化劑活性會因積炭反應(yīng)而降低，相關(guān)數(shù)據(jù)如下表：

反應(yīng)	Ⅰ	Ⅱ
H(kJ/mol)	+75	﹣173

①研究發(fā)現(xiàn)，如果反應(yīng)Ⅰ不發(fā)生積炭過程，則反應(yīng)Ⅱ也不會發(fā)生積炭過程。因此，若保持催化劑的活性，應(yīng)采取的條件是_________。

②如果Ⅰ、Ⅱ均發(fā)生了積炭反應(yīng)，通入過量水蒸氣能有效清除積炭，反應(yīng)的化學方程式是_________。

Answer 1

【答案】c CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H =+169kJ/mol 1 CaO可吸收CO2，c(CO2)減小，使生成H2的反應(yīng)正向移動，H2百分含量增大 納米CaO顆粒小，表面積大，使反應(yīng)速率加快 降低溫度、增大壓強 C+H2O=CO+H2

【解析】

(1)①提高物質(zhì)的轉(zhuǎn)化率就是使平衡正向移動，可以分析該反應(yīng)的正反應(yīng)的特點再根據(jù)平衡移動原理進行判斷；

②根據(jù)蓋斯定律，將方程式疊加，反應(yīng)熱也相加，得到重整后的熱化學方程式；

③對于反應(yīng)前后氣體體積不變的反應(yīng)，物質(zhì)平衡時生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比等于它們的物質(zhì)的量乘積的比；

(2)從生成物、反應(yīng)物的酸堿性及固體表面積大小對物質(zhì)濃度及化學平衡移動的影響分析；

(3)根據(jù)甲烷分解反應(yīng)的特點分析判斷；根據(jù)炭與水蒸氣反應(yīng)產(chǎn)物狀態(tài)分析解答。

(1)①由反應(yīng)CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol可知：若要使CH4的轉(zhuǎn)化率提高就要使化學平衡正向移動；a．該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強平衡逆向移動，甲烷的轉(zhuǎn)化率降低，a錯誤；b．加入催化劑能夠同等倍數(shù)的改變化學反應(yīng)速率，化學平衡不發(fā)生移動，b錯誤；c．增大反應(yīng)物水蒸氣濃度，化學平衡正向移動，甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，c正確；故意合理選項是c；

②反應(yīng)Ⅰ與反應(yīng)Ⅱ相加，整理可得CH4、H2O生成CO2、H2的熱化學方程式為CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H =+169kJ/mol；

③在密閉容器中，將2.0 mol CO與8.0 mol H2O混合加熱到800℃發(fā)生反應(yīng)Ⅱ：

CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g)

n(開始)/mol 2.0 8.0 0 0

n(改變) 1.6 1.6 1.6 1.6

n(平衡) 0.4 6.4 1.6 1.6

由于該反應(yīng)是反應(yīng)前后氣體體積相等的反應(yīng)，所以濃度比等于物質(zhì)的量的比，故K=；

(2)①催化重整后的化學方程式為CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)，向其中投入CaO時，CaO可吸收CO2，使c(CO2)減小，平衡正向移動，使生成H2更多，H2百分含量增大H2百分含量增大；

②若投入納米CaO時，由于納米CaO顆粒小，表面積大，可以使反應(yīng)速率加快，c(CO2)減小的多，平衡正向移動加劇，所以H2百分含量增大；

(3)①反應(yīng)Ⅰ的正反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，為了減少積炭，要使平衡逆向移動，可以采取的措施是增大壓強、降低溫度的辦法；

②如果Ⅰ、Ⅱ均發(fā)生了積炭反應(yīng)，通入過量水蒸氣能有效清除積炭，是因為C與水蒸氣反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和CO，反應(yīng)的化學方程式是C+H2O=CO+H2。