Question

【題目】和既是溫室氣體又是豐富的碳基資源。甲烷與二氧化碳重整反應(yīng)是制合成氣()的有效途徑之一。合成氣可用于二甲醚合成、羰基合成、費(fèi)托合成等。因此，具有較好的市場(chǎng)前景。

(1)已知在、298K條件下，各物質(zhì)燃燒熱數(shù)據(jù)如下表：

物質(zhì)(g)
燃燒熱()	-890.0	-283.0	-285.0	0

則甲烷與二氧化碳重整反應(yīng)制合成氣的熱化學(xué)方程式為：________________；

(2)在T℃時(shí)，向容積為2L的剛性容器中充入和。反應(yīng)體系中的物質(zhì)的量隨時(shí)間變化關(guān)系如下表：

60

時(shí)間/min	0	20	50	100
	0.5	0.48	0.25	0.25	0.25

①20min時(shí)，________；當(dāng)反應(yīng)進(jìn)行到60min時(shí)，________20min時(shí)的大小關(guān)系(填“＜”、“=”或“＞”)；反應(yīng)進(jìn)行到60min時(shí)，下列能夠提高平衡時(shí)合成氣產(chǎn)率的措施有：_______________________。

A．將反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)至150min B．移除一部分合成氣

C．適當(dāng)提高反應(yīng)升高溫度 D．改用高效催化劑

②反應(yīng)進(jìn)行到下列各圖的p點(diǎn)時(shí)，能夠說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是：___________。

A. B. C. D.

③已知：p(H2)、p(CO)、p(CH4)和p(CO2)為各組分的平衡分壓(氣體分壓p=氣體總壓p總×體積分?jǐn)?shù))，p總為平衡總壓。若開(kāi)始測(cè)得反應(yīng)體系的壓強(qiáng)為3.0Mpa，則合成氣反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)Kp=________。(結(jié)果保留一位小數(shù))

(3)由于原料氣的比較高，催化劑易結(jié)焦，特別是高溫反應(yīng)時(shí)積碳嚴(yán)重，影響了此過(guò)程大規(guī)模工業(yè)化的應(yīng)用。某科研小組研究了Sr助劑對(duì)10%催化劑性能的影響如表1所示，請(qǐng)判斷催化劑上Sr助劑的最佳質(zhì)量含量為________(橫坐標(biāo)表示Sr助劑的質(zhì)量含量)，判斷的理由是________________(寫出兩點(diǎn))

(4)如圖所示，以為燃料氣，高溫電化學(xué)法制備合成氣的發(fā)電系統(tǒng)中，在電場(chǎng)作用下，通過(guò)氧化物電解質(zhì)中氧空位遷移到負(fù)極，與發(fā)生氧化還原反應(yīng)。試用電極反應(yīng)方程式表示負(fù)極發(fā)生反應(yīng)的總過(guò)程：___________________________________。

Answer 1

【答案】 ＜ BC C 3% 其一，Sr助劑應(yīng)使得原料氣的轉(zhuǎn)化率盡可能大；其二，催化劑表面積碳的質(zhì)量含量盡可能低，結(jié)合這兩點(diǎn)，最佳的質(zhì)量含量應(yīng)該為3%

【解析】

根據(jù)已知條件，利用燃燒熱的相關(guān)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律可計(jì)算出制合成氣的反應(yīng)熱。利用已知數(shù)據(jù)可以求出二氧化碳的速率，根據(jù)氫氣與二氧化碳的計(jì)量數(shù)之比計(jì)算出氫氣的化學(xué)反應(yīng)速率。反應(yīng)進(jìn)行到60min時(shí)，已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)，而20min時(shí)，反應(yīng)還在正向進(jìn)行，判斷出60min時(shí)，和20min時(shí)的大小關(guān)系。提高產(chǎn)率，即找到使平衡正向移動(dòng)的措施。根據(jù)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)進(jìn)行判斷。根據(jù)壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比和“三段式”進(jìn)行計(jì)算。從Sr助劑應(yīng)和催化劑表面積碳的質(zhì)量進(jìn)行分析。負(fù)極發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，根據(jù)元素守恒和化合價(jià)的變化寫出電極反應(yīng)。

(1)根據(jù)已知條件，利用燃燒熱的相關(guān)熱化學(xué)方程式；

①；

②；

③；

蓋斯定律，①-2(②+③)可計(jì)算出制合成氣的反應(yīng)熱：，故熱化學(xué)方程式為： ；

(2) ①，,反應(yīng)進(jìn)行到60min時(shí)，已經(jīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，此時(shí)，而20min時(shí)，反應(yīng)還在正向進(jìn)行，，故60min時(shí)小于20min時(shí)；

A.由于反應(yīng)已經(jīng)進(jìn)入平衡狀態(tài)，再延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間不能提高反應(yīng)的限度，轉(zhuǎn)化率不變,不改變化學(xué)平衡，故無(wú)法提高合成氣率，故A不符合題意；

B.移除一部分合成氣降低了生成物濃度，平衡正向移動(dòng)，可以提高合成氣產(chǎn)率，故B符合題意；

C.適當(dāng)提高反應(yīng)升高溫度，由于該反應(yīng)吸熱，化學(xué)平衡將向正反應(yīng)方向進(jìn)行，可以提高產(chǎn)率，故C符合題意；

D.改用高效催化劑不影響化學(xué)平衡移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率不變，產(chǎn)率也不變；故D不符合題意；

答案為BC；

②A．假設(shè)轉(zhuǎn)化了x，則根據(jù)關(guān)系式，也轉(zhuǎn)化了x。則有：；，二者的轉(zhuǎn)化學(xué)率比值等于2為一定值，所以p點(diǎn)不能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；

B．反應(yīng)熱與化學(xué)平衡與否無(wú)關(guān)，故B錯(cuò)誤；

C．的體積分?jǐn)?shù)不隨時(shí)間變化，而且p點(diǎn)正好落在直線上，說(shuō)明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，故C正確；

D．圖中給出了兩種不同的催化劑載體對(duì)CO產(chǎn)率的影響。載體不同，催化劑體系就不同。不同的催化劑在給定的反應(yīng)條件下不影響產(chǎn)物的產(chǎn)率。Ni基載體的催化效果優(yōu)于，能夠提高CO的產(chǎn)率，說(shuō)明此時(shí)的p點(diǎn)一定不是平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；

答案選C；

③根據(jù)三段式，可求平衡時(shí)各物種的物質(zhì)的量如下：

則，，，根據(jù)，同溫度同體積，壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比。反應(yīng)開(kāi)始，；平衡時(shí)的，則，，，，則；

(3)根據(jù)圖表出示的數(shù)據(jù)，該工藝的副反應(yīng)是甲烷的熱裂解，產(chǎn)生積碳附著在催化劑表面。Sr助劑的最佳質(zhì)量含量應(yīng)該能起到兩點(diǎn)作用，其一，使得原料氣的轉(zhuǎn)化率盡可能大；其二，催化劑表面積碳的質(zhì)量含量盡可能低，結(jié)合這兩點(diǎn)，最佳的質(zhì)量含量應(yīng)該為3%；

(4)根據(jù)題目的要求，甲烷失去電子，一部分給了，一部分直接在電極上轉(zhuǎn)移電子給H元素，轉(zhuǎn)化為，在負(fù)極直接產(chǎn)生合成氣CO和，電極反應(yīng)為：。