Question

【題目】甲烷催化裂解、氧氣部分氧化和水煤氣重整是目前制氫的常用方法。回答下列問題：

(1)甲烷隔絕空氣分解，部分反應(yīng)如下：

Ⅰ.CH4(g)=C(s)+2H2(g) H1=+74.9kJ/mol

Ⅱ.6CH4(g)=C6H6(g)+9H2(g) H2=+531kJ/mol

Ⅲ.2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g) H3=+202kJ/mol

①反應(yīng)I的△S___(填“＞”或“＜”)0。

②的 △H=______kJ/mol。

(2)CH4用水蒸氣重整制氫包含的反應(yīng)為：

Ⅰ.水蒸氣重整：

Ⅱ.水煤氣變換：

平衡時各物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)如圖所示：

①為提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，除壓強、溫度外，還可采取的措施是___________(寫一條)。

②溫度高于T1℃時，CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)開始減小，其原因是___________。

③T2℃時，容器中______________。

(3)甲烷部分氧化反應(yīng)為。已知甲烷部分氧化、甲烷水蒸氣重整、水煤氣變換反應(yīng)的平衡常數(shù)的自然對數(shù)lnKp與溫度的關(guān)系如圖所示：

①圖中Q點時，反應(yīng)的InKp=________。

②在某恒壓密閉容器中充入lmol CH4和1mol H2O(g)在某溫度下發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)達到平衡時，CH4的轉(zhuǎn)化率為50%，容器總壓強為1 atm。H2的平衡分壓p(H2)=____atm；此溫度下反應(yīng)的lnKp=___(已知；ln3≈l.1，ln4≈l.4)。

Answer 1

【答案】＞ +75 增大起始時(或及時從產(chǎn)物中分離出氫氣) 反應(yīng)Ⅱ為放熱反應(yīng)，從T1℃升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動的因素大于CO濃度增大向正反應(yīng)方向移動的因素，凈結(jié)果是平衡逆向移動 7(或7:1) 0 0.5 -0.3

【解析】

(1)①氣體體積增大的過程為熵增的過程，熵增過程△S大于0，反之小于0，反應(yīng)I為CH4(g)=C(s)+2H2(g)，氣體物質(zhì)的量增大，混亂度增大，屬于熵增的過程，△S＞0；

②已知：Ⅱ.6CH4(g)=C6H6(g)+9H2(g) H2=+531kJ/mol

Ⅲ.2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g) H3=+202kJ/mol

根據(jù)蓋斯定律，Ⅲ×3-Ⅱ可得：C6H6(g)+3H2(g)=3C2H4(g) △H=(+202kJ/mol)×3-(+531kJ/mol)=+75 kJ/mol；

(2)①為提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，即要讓反應(yīng)向正向進行，除壓強、溫度外，還可將生成的氫氣從產(chǎn)物中分離出去，或增大起始時的；

②反應(yīng)Ⅰ是吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動，CO的濃度增大，反應(yīng)Ⅱ為放熱反應(yīng)，升高溫度，反應(yīng)逆向進行，CO2的量減少，出現(xiàn)如圖所示CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)開始減小，說明T1℃升高溫度，平衡向逆向移動的因素大于CO濃度增大向正向移動的因素，結(jié)果是平衡逆向移動；

③根據(jù)圖像，T2℃時，容器中一氧化碳和二氧化碳的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)相等，設(shè)T2℃時，二氧化碳的物質(zhì)的量為x，列三段式：

根據(jù)上述分析，T2℃時，n(H2)=6x+x=7x，n(CO2)=x，則=7；

(3)①圖中Q點時，甲烷水蒸氣重整、水煤氣變換反應(yīng)的平衡常數(shù)的自然對數(shù)lnKp相等，即壓強平衡常數(shù)相等，則，可得=1；則反應(yīng)的壓強平衡常數(shù)Kp==1，則lnKp=ln1=0；

②在某恒壓密閉容器中充入lmol CH4和1mol H2O(g)在某溫度下發(fā)生水蒸氣重整反應(yīng)達到平衡時，CH4的轉(zhuǎn)化率為50%，容器總壓強為1atm。根據(jù)反應(yīng)，則平衡時n(CH4)=lmol-lmol×50%=0.5mol，n(H2O)= lmol -lmol×50%=0.5mol，n(CO)=0.5mol，n(H2)=3×0.5mol=1.5mol，根據(jù)分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，則H2的平衡分壓p(H2)=×1atm=0.5 atm，用壓強表示該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp==，則lnKp=ln= ln3- ln4=1.1-1.4=-0.3。