Question

【題目】氫氣作為新能源，廣泛應用于能源、化學等領域。現階段氫氣主要通過天然氣重整的方式進行工業生產。發生的化學方程式如下：

反應I CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H1＝＋206 kJ/mol

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

副反應 CH4(g)C(s)＋2H2(g) △H3＝＋75 kJ/mol

(1)①若僅發生反應I，為提高CH4的平衡轉化率，宜采用的反應條件為_________。

A.高溫高壓 B.低溫低壓 C.高溫低壓 D.低溫高壓

②某研究小組在一定條件下往恒溫恒容的密閉容器中通入一定量的甲烷和水蒸氣，實驗過程中發現CO2的產率遠大于CO的產率，請解釋可能的原因________________。

(2)在實際生產過程中，科學家發現使用Ni作為催化劑(當Ni表面吸附大量碳時，會導致催化劑活性下降)，可加快反應I的反應速率，從而加快整個反應的進行，提高單位時間內H2的產率。

①某恒容體系中，壓強為1.3MPa，水/甲烷的物質的量之比為4，反應相同時間，H2的物質的量隨反應溫度的變化曲線如圖所示。

下列說法正確的是__________

A.對反應I而言，KT1>KT2

B.水/甲烷的物質的量之比等于4，大于初始反應的化學計量數之比，有利于促進CH4的轉化，同時也有利于CO轉化為CO2

C.使用Ni做催化劑，可增加活化分子百分數，從而加快反應速率，其主要原因是提高分子自身所具有的能量

D.若控制其他條件不變，縮小體積，則CH4的平衡轉化率將減小

②在某恒溫體系中，體積為1L，水/甲烷的物質的量之比等于4，投入CH4的量為l mol，若僅發生上述一系列反應，一段時間后，測得CH4的轉化率為a，其中生成CO的選擇性(轉化的CH4中，生成CO的百分含量)為b，CO2的濃度為c mol/L，求此時H2的物質的量濃度為___________，CO的物質的量濃度為______________

(3)現科學家發現，以Ni－CaO為復合催化劑能在一定程度上促進天然氣重整反應的正向進行，使H2體積分數達到95%左右。請從能量利用及平衡移動角度，理論分析以Ni－CaO為復合催化劑的優點_____________________________________________。

(4)CH4自身也可做為然料電池的原料，其工作原理如圖所示。

請寫出通入甲烷－極的電極反應式為_______________________________________。

Answer 1

【答案】C 反應I的活化能較高,反應II的活化能較低,因此生成的CO被迅速轉化為二氧化碳不能積累 BD (ab+c+2a)mol/L (ab-c)mol/L 氧化鈣可吸附二氧化碳，使I的平衡正向移動，提高氫氣的產率；同時，氧化鈣吸附二氧化碳是放熱反應，可為反應I的進行提供熱量，降低系統能耗。

【解析】

（1）①由于反應I為吸熱反應，且為氣體體積增大的反應，故為了提高CH4的平衡轉化率，宜采用的反應條件為高溫低壓，答案選C；

②在一定條件下往恒溫恒容的密閉容器中通入一定量的甲烷和水蒸氣， CO2的產率遠大于CO的產率，是由于反應I的活化能較高,反應II的活化能較低,因此生成的CO被迅速轉化為二氧化碳不能積累；

（2）①A. 反應I為吸熱反應，故對反應I而言，KT1<KT2，A錯誤；

B. 水/甲烷的物質的量之比等于4，大于初始反應的化學計量數之比，有利于促進CH4的轉化，同時也有利于CO轉化為CO2，B正確；

C. 使用Ni做催化劑，可增加活化分子百分數，從而加快反應速率，其主要原因是降低了反應的活化能，C錯誤；

D. 由于反應I為氣體體積增大的反應，若控制其他條件不變，縮小體積，則CH4的平衡轉化率將減小，D正確；

故答案選BD；

②生成CO的選擇性(轉化的CH4中，生成CO的百分含量)為b，則反應I消耗的甲烷的物質的量濃度為ab mol/L，生成的氫氣為3ab mol/L，由于CO2的濃度為c mol/L，則反應II生成氫氣的濃度為c mol/L，反應III甲烷的消耗量為a(1-b)，則生成的氫氣的濃度為2a(1-b)，則生成氫氣的總濃度為(ab+c+2a)mol/L，反應I生成的CO的濃度為ab，反應II消耗的CO的濃度為c，則生成的CO濃度為(ab-c)mol/L；

（3）以Ni－CaO為復合催化劑的優點為氧化鈣可吸附二氧化碳，使I的平衡正向移動，提高氫氣的產率；同時，氧化鈣吸附二氧化碳是放熱反應，可為反應I的進行提供熱量，降低系統能耗；

（4）甲烷在該燃料電池中作負極，電極反應為。