Question

【題目】甲烷水蒸氣重整和水氣變換是傳統(tǒng)的制氫方法，反應(yīng)如下 ：

①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2 (g) △H1= 206kJmol-1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2= - 4 1 kJmol-1

近期報(bào)道，用二氧化碳作為氧化劑和甲烷重整制氫的新反應(yīng)路線如下，可生成適宜 H2/ CO 的合成氣。

③CH4 (g)+CO2 (g)2CO(g)+2H2(g) △H3

(1)下列措施最有利于提高反應(yīng)③CH4的平衡轉(zhuǎn)化率條件是______________。

A. 升高溫度，同時(shí)對(duì)原料氣進(jìn)行加壓 B. 降低溫度，同時(shí)對(duì)原料氣進(jìn)行加壓

C. 升高溫度，同時(shí)用氬氣稀釋原料氣 D. 降低溫度，同時(shí)用氬氣稀釋原料氣

(2)重整反應(yīng)器中以上三個(gè)反應(yīng)都在發(fā)生，不同反應(yīng)條件下達(dá)到平衡時(shí)的進(jìn)程如下：

I.根據(jù)圖1，在_________ ( 填寫反應(yīng)條件）時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率為負(fù)值，主要原因：一是 CO2穩(wěn)定性較高，低濃度時(shí)難以和甲烷反應(yīng)；二是 ___________。

II.根據(jù)圖，2隨著反應(yīng)溫度和反應(yīng)物中的提高，體系中反應(yīng)____填①、②、③）逐漸占據(jù)主導(dǎo)。若 850℃、為0.5時(shí)重整反應(yīng)器中達(dá)到平衡時(shí)，體系中CO2和水蒸氣濃度相等，求此條件下反應(yīng)②的平衡常數(shù)K=__。

(3)固體氧化物電解池(傳導(dǎo)O2-)將CO2 和H2O 轉(zhuǎn)化為n(H2):n(CO)=1的合成氣并聯(lián)產(chǎn)高純度O2，寫出電解池陰極反應(yīng)式__________________。

Answer 1

【答案】C Ⅰ．反應(yīng)溫度低于 800℃、二氧化碳水蒸氣摩爾比等于 0.2 相對(duì)較多的 H2O(g)以及較低的溫度，使反應(yīng)②平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)③平衡逆向移動(dòng)，CO2濃度上升 ③ 2 CO2＋H2O＋4e-＝CO＋H2＋2O2-

【解析】

(1)根據(jù)蓋斯定律判斷反應(yīng)③是吸熱還是放熱反應(yīng)，提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，平衡正向移動(dòng)，據(jù)此分析；

(2)I．結(jié)合圖像1曲線的位置分析CO2的轉(zhuǎn)化率為負(fù)值的條件；根據(jù)比值中，二氧化碳和水蒸氣的所占比例對(duì)平衡移動(dòng)的影響分析；

II．在不變的條件下，升高溫度比值減小，反應(yīng)②為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)；結(jié)合圖像數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)點(diǎn)數(shù)據(jù)，求解反應(yīng)②平衡常數(shù)K；

(3)根據(jù)題意，該電解池的總反應(yīng)為CO2+H2OH2+CO+O2，電解池中陽(yáng)極失電子被氧化，陰極得電子被還原。

(1)已知：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2 (g) △H1= 206kJmol-1

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2= - 41 kJmol-1

根據(jù)蓋斯定律，①-②=③，則③CH4 (g)+ CO2 (g) 2CO(g)+ 2H2(g) △H3=△H1-△H2=247 kJmol-1，故反應(yīng)③是吸熱反應(yīng)，且正反應(yīng)方向是氣體體積增大的反應(yīng)體系，要提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，則平衡需要正向移動(dòng)，方法為升高溫度，同時(shí)用氬氣稀釋原料氣，答案選C；

(2)I．結(jié)合圖像1曲線的位置分析CO2的轉(zhuǎn)化率為負(fù)值的條件為：反應(yīng)溫度低于 800℃、 =0.2；=0.2，說(shuō)明水蒸氣的含量大，相對(duì)較多的 H2O(g)以及較低的溫度，使反應(yīng)②平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)③平衡逆向移動(dòng)，CO2濃度上升；

II．在不變的條件下，三個(gè)反應(yīng)中，反應(yīng)②為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，氫氣的量減少，一氧化碳的量增大，升高溫度比值減小，升高溫度反應(yīng)①③正向移動(dòng)，由于圖像走向，比值趨向于1，故起主導(dǎo)的為反應(yīng)③；

若850℃、為 0. 5 時(shí)，，重整反應(yīng)器中達(dá)到平衡時(shí)，體系中 CO2和水蒸氣濃度相等，此時(shí)曲線上=2，即=2，反應(yīng)CO(g)+ H2O(g)CO2(g) +H2(g) 的平衡常數(shù)K==2；

(3)根據(jù)題意，該電解池的總反應(yīng)為CO2+H2OH2+CO+O2，電解池中陽(yáng)極失電子被氧化，陰極得電子被還原，固體氧化物電解池(傳導(dǎo)O2-)，陽(yáng)極：2O2—4e-=O2，總反應(yīng)減去陽(yáng)極反應(yīng)可得陰極反應(yīng)為：CO2＋H2O＋4e-＝CO＋H2＋2O2-。