Question

【題目】氫能是一種極具發展潛力的清潔能源，CH4—H2O催化重整是目前大規模制取氫氣的重要方法。

(1)CH4－H2O催化重整：

反應Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol

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

①提高CH4平衡轉化率的條件是________。

a．增大壓強 b．加入催化劑 c．增大水蒸氣濃度

②CH4、H2O催化重整生成CO2、H2的熱化學方程式是________。

③在密閉容器中，將2.0 mol CO與8.0 mol H2O混合加熱到800℃發生反應Ⅱ，達到平衡時CO的轉化率是80%，其平衡常數為 _________。

(2)實驗發現，其他條件不變，相同時間內，向催化重整體系中投入一定量的CaO可以明顯提高H2的百分含量。做對比實驗，結果如下圖所示：

①投入CaO時，H2百分含量增大的原因是：_________。

②投入納米CaO時，H2百分含量增大的原因是：__________。

(3)反應中催化劑活性會因積炭反應而降低，相關數據如下表：

反應	Ⅰ	Ⅱ
H(kJ/mol)	+75	﹣173

①研究發現，如果反應Ⅰ不發生積炭過程，則反應Ⅱ也不會發生積炭過程。因此，若保持催化劑的活性，應采取的條件是_________。

②如果Ⅰ、Ⅱ均發生了積炭反應，通入過量水蒸氣能有效清除積炭，反應的化學方程式是_________。

Answer 1

【答案】c CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H =+169kJ/mol 1 CaO可吸收CO2，c(CO2)減小，使生成H2的反應正向移動，H2百分含量增大 納米CaO顆粒小，表面積大，使反應速率加快 降低溫度、增大壓強 C+H2O=CO+H2

【解析】

(1)①提高物質的轉化率就是使平衡正向移動，可以分析該反應的正反應的特點再根據平衡移動原理進行判斷；

②根據蓋斯定律，將方程式疊加，反應熱也相加，得到重整后的熱化學方程式；

③對于反應前后氣體體積不變的反應，物質平衡時生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比等于它們的物質的量乘積的比；

(2)從生成物、反應物的酸堿性及固體表面積大小對物質濃度及化學平衡移動的影響分析；

(3)根據甲烷分解反應的特點分析判斷；根據炭與水蒸氣反應產物狀態分析解答。

(1)①由反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol可知：若要使CH4的轉化率提高就要使化學平衡正向移動；a．該反應的正反應是氣體體積增大的反應，增大壓強平衡逆向移動，甲烷的轉化率降低，a錯誤；b．加入催化劑能夠同等倍數的改變化學反應速率，化學平衡不發生移動，b錯誤；c．增大反應物水蒸氣濃度，化學平衡正向移動，甲烷的轉化率增大，c正確；故意合理選項是c；

②反應Ⅰ與反應Ⅱ相加，整理可得CH4、H2O生成CO2、H2的熱化學方程式為CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H =+169kJ/mol；

③在密閉容器中，將2.0 mol CO與8.0 mol H2O混合加熱到800℃發生反應Ⅱ：

CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g)

n(開始)/mol 2.0 8.0 0 0

n(改變) 1.6 1.6 1.6 1.6

n(平衡) 0.4 6.4 1.6 1.6

由于該反應是反應前后氣體體積相等的反應，所以濃度比等于物質的量的比，故K=；

(2)①催化重整后的化學方程式為CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)，向其中投入CaO時，CaO可吸收CO2，使c(CO2)減小，平衡正向移動，使生成H2更多，H2百分含量增大H2百分含量增大；

②若投入納米CaO時，由于納米CaO顆粒小，表面積大，可以使反應速率加快，c(CO2)減小的多，平衡正向移動加劇，所以H2百分含量增大；

(3)①反應Ⅰ的正反應是氣體體積增大的吸熱反應，為了減少積炭，要使平衡逆向移動，可以采取的措施是增大壓強、降低溫度的辦法；

②如果Ⅰ、Ⅱ均發生了積炭反應，通入過量水蒸氣能有效清除積炭，是因為C與水蒸氣反應，產生氫氣和CO，反應的化學方程式是C+H2O=CO+H2。