Question

【題目】煤和甲烷既是重要的常用燃料，又是重要的化工原料。根據(jù)題意，回答下列問題：

I.煤制天然氣過程中，存在多種化學(xué)反應(yīng)，其中在煤氣化裝置中發(fā)生反應(yīng)①：C(s) + H2O(g)=CO(g) + H2(g) H = +135 kJ mol-1 ，而在水氣變換裝置中發(fā)生反應(yīng)②：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+ H2(g) H =-41 kJ mol-1

(1)煤氣化前，需要通入一定量的氧氣與碳發(fā)生燃燒反應(yīng)，請利用平衡移動原理說明通入氧氣的作用：_____________________

(2)寫岀碳和二氧化碳反應(yīng)生成一氧化碳的熱化學(xué)方程式_____。

(3)如圖表示發(fā)生反應(yīng)①后進(jìn)入反應(yīng)②裝置的n( H2O)/n(CO)與反應(yīng)②中CO平衡轉(zhuǎn)化率、溫度的變化關(guān)系。

若n(H2O)/n(CO)為0.8，一定量的煤和水蒸氣經(jīng)反應(yīng)①和反應(yīng)②后，得到CO與H2的 物質(zhì)的量之比為1:3，則反應(yīng)②所對應(yīng)的溫度是_____(填“T1”、“T2”或“T3”)。

Ⅱ.甲烷重整技術(shù)主要是利用甲烷和其他原料來制備合成氣(CO和h2混合氣體)。現(xiàn)在常(見的重整技術(shù)有甲烷——二氧化碳重整、甲烷——水蒸氣重整，其反應(yīng)分別為CH4(g)+3CO2(g)2H2O(g)+4CO(g)；CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

(4)甲烷——二氧化碳重整的催化轉(zhuǎn)化原理如圖所示：

①過程(二)實(shí)現(xiàn)了含氫物種與含碳物種的分離，寫出生成H2O(g)的化學(xué)方程式：______

②假設(shè)過程(一)和過程(二)中各步反應(yīng)均轉(zhuǎn)化完全，則下列說法正確的是_____ (填序號)。

a.過程(一)和過程(二)中均含有氧化還原反應(yīng)

b.過程(二)中使用的催化劑為Fe3O4和CaCO3

C.若過程(一)投料比，可導(dǎo)致過程(二)中催化劑失效

(5)通過計(jì)算機(jī)模擬甲烷——水蒸氣重整實(shí)驗(yàn)測得，在操作壓強(qiáng)為0.1Mpa、水碳比n(H2O)/n(CH4)為1.0，溫度為900℃，反應(yīng)達(dá)到平衡時，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6。已知該反應(yīng)的速率方程v=kP(CH4)·P-1(H2)，式中k為速率常數(shù)，P為氣體分壓，氣體分壓=總壓×氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，則此時該反應(yīng)速率v=_____(用含k的式子表示)；900℃時，該反應(yīng)的壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp=_____(用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算)。

Answer 1

【答案】氧氣與碳發(fā)生燃燒反應(yīng)放熱，放出的熱被可逆反應(yīng)吸收利用，促進(jìn)反應(yīng)正向移動 C(s)+CO2(g)=2CO(g) H=+176kJ/mol T3 4H2+Fe3O43Fe+4H2O ac 4.32×10-2(MPa)2

【解析】

根據(jù)碳與氧氣反應(yīng)放出熱量，會引起C(s) + H2O(g)=CO(g) + H2(g) H = +135 kJ mol-1平衡移動，就可分析解答；對于本題（3）由已知n(H2O)/n(CO)為0.8，可假設(shè)水蒸氣為4mol，則CO為5mol，根據(jù)CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+ H2(g)求出CO的平衡轉(zhuǎn)化率即可解答。對于本題（4）根據(jù)甲烷—二氧化碳重整的催化轉(zhuǎn)化原理圖示，找出過程（一）和過程（二）發(fā)生的反應(yīng)就可解答。

(1)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)△H=+135kJmol1，是吸熱反應(yīng)，而碳與氧氣反應(yīng)放出熱量，使反應(yīng)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)，向正反應(yīng)方向移動，提高碳的利用率；答案為氧氣與碳發(fā)生燃燒反應(yīng)放熱，放出的熱被可逆反應(yīng)C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)吸收利用，促進(jìn)反應(yīng)正向移動。

（2）由①：C(s) + H2O(g)=CO(g) + H2(g) H = +135 kJ mol-1 ，②：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+ H2(g) H =-41 kJ mol-1，根據(jù)蓋斯定律，用①-②可得出：C(s)+CO2(g)=2CO(g) H=+135 kJ mol-1-(-41 kJ mol-1)=+176 kJ mol-1；答案為C(s)+CO2(g)=2CO(g) H=+176 kJ mol-1；

（3）如圖：若n(H2O)/n(CO)為0.8，設(shè)水蒸氣的物質(zhì)的量是4mol、則①生成的CO物質(zhì)的量為5mol，同時生成5mol氫氣, 經(jīng)煤氣化反應(yīng)①和水氣變換反應(yīng)②后,設(shè)反應(yīng)②中CO變化了xmol,則生成xmol氫氣，則(5x)： (5+x)=1：3，x=2.5mol，CO的轉(zhuǎn)化率= ×100%=50%，根據(jù)圖知,反應(yīng)溫度為T3；答案為T3。

（4）①由上述圖可知，過程（一）的產(chǎn)物CO、H2、和過量的CO2進(jìn)入過程（二）中，與過程（二）中的Fe3O4、CaO混合發(fā)生反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了含氫物種與含碳物種的分離，生成H2O(g)的反應(yīng)顯然是H2與Fe3O4反應(yīng)，則化學(xué)方程式為：Fe3O4+4H2 3Fe+4H2O；答案為Fe3O4+4H2 3Fe+4H2O。

②a.過程（一）：CH4+CO2(g) 2H2(g)+2CO，碳、氫元素化合價(jià)發(fā)生變化，屬于氧化還原反應(yīng),過程（二）：4H2+Fe3O43Fe+4H2O，氫、鐵元素化合價(jià)發(fā)生變化，屬于氧化還原反應(yīng)，過程（一）和過程（二）中均含有氧化還原反應(yīng)，故a正確；

b．過程(二)中CaCO3是CaO與CO2發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成的，不符合催化劑的概念，CaO才是催化劑，故b錯誤；

c．若過程(一)投料比，CH4與CO2剛好反應(yīng)，CO2無剩余，則催化劑CaO在過程（二）中沒有二氧化碳與之反應(yīng)生成CaCO3，催化劑失效，故c正確；答案為ac。

（5）已知n(H2O)/n(CH4)為1.0，可假設(shè)n(H2O)=n(CH4)=1mol，操作壓強(qiáng)為0.1Mpa，溫度為900℃，反應(yīng)達(dá)到平衡時，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，設(shè)達(dá)平衡時CH4變化了xmol，

根據(jù)H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)= =0.6，求出x=mol，則CH4的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)= =0.1，由反應(yīng)的速率方程v=kP(CH4)P-1(H2)=k·= k·=，同理可求出H2O的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.1，CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.2；根據(jù)氣體分壓=總壓×氣體物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，總壓為0.1Mpa ，則P(CO)=0.1×0.2MPa，P(H2)=0.1×0.6MPa，P(CH4)=0.1×0.1MPa，P(H2O)=0.1×0.1MPa，在900℃時，該反應(yīng)的壓強(qiáng)平衡常數(shù)Kp===4.32×10-2(MPa)2；答案為，4.32×10-2(MPa)2。