Question

【題目】我國自主研發的“藍鯨一號”在中國南海神狐海域完成可燃冰連續試采，并得到中共中央國務院公開致電祝賀。“可燃冰”是天然氣水合物，外形像冰，在常溫常壓下迅速分解釋放出甲烷，被稱為未來新能源。

（1）“可燃冰”作為能源的優點是_______________________________(回答一條即可)。

（2）甲烷自熱重整是一種先進的制氫方法,包含甲烷氧化和蒸汽重整兩個過程。向反應系統同時通入甲烷、氧氣和水蒸氣,發生的主要化學反應如下:

反應過程	化學方程式	焓變△H(kJ.mol-l)	活化能E.(kJ.mol-1)
甲烷氧化	CH4(g)+O2(g)CO(g)+2H2O(g)	-802.6	125.6
	CH4(g)+O2(g)CO2(g)+2H2(g)	-322.0	172.5
蒸氣重整	CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)	+206.2	240.1
	CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)	+158. 6	243.9

回答下列問題:

①在初始階段，甲烷蒸汽重整的反應速率______(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷氧化的反應速率。

②反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)的平衡轉化率與溫度、壓強關系[其中n(CH4)：n(H2O)=1:1]如圖所示。

該反應在圖中A點的平衡常數Kp=________(用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數)，圖中壓強(p1、p2、p3、p4)由大到小的順序為___________。

③從能量角度分析，甲烷自熱重整方法的先進之處在于___________。

（3）甲烷超干重整CO2技術可得到富含CO的氣體，其能源和環境上的雙重意義重大，甲烷超干重整CO2的催化轉化原理如圖所示。

①過程II中第二步反應的化學方程式為_________。

②過程II的催化劑是______，只有過程I投料比_______，催化劑組成才會保持不變。

Answer 1

【答案】能量密度高、清潔、污染小、儲量大 小于 3/16(Mpa)2或0.1875( Mpa)2 p1>p2>p3>p4 甲烷氧化反應放出熱量正好用于蒸汽重整反應所吸收自熱量，達到能量平衡 3Fe+4CaCO3Fe3O4+4CaO+4CO↑ Fe3O4、CaO 1/3

【解析】

（1）“可燃冰”是一種白色固體，有極強的燃燒力。

（2）①從表中活化能數據看出在初始階段，甲烷蒸汽重整反應活化能較大，而甲烷氧化的反應活化能均較小，所以甲烷氧化的反應速率快。

②假設甲烷有1mol，水蒸氣有1mol，

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

起始量 1 1 0 0

變化量 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡量 0.8 0.8 0.2 0.6

根據三段式進行分析解答即可。

③甲烷氧化反應放出熱量正好提供給甲烷蒸汽重整反應所吸收熱量，能量達到充分利用。

（3）①.根據圖示分析，第一步反應是還原劑把四氧化三鐵還原為鐵，第二步反應是鐵被碳酸鈣氧化為四氧化三鐵，本身被還原為一氧化碳。

②.反應的歷程：①CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)；②4H2(g)+ Fe3O4(s) 3Fe(s)+4 H2O(g)；③Fe3O4(s)+4CO(g) 3Fe(s)+ 4CO2(g)；三個反應消去Fe3O4和Fe，最終得到CH4(g)+3CO2(g) 2H2O(g)+ 4CO(g)；只有過程I投料比，催化劑組成才會保持不變。

（1）“可燃冰”是一種白色固體，有極強的燃燒力，優點是：能量密度高、清潔、污染小、儲量大；故答案為：能量密度高、清潔、污染小、儲量大。

（2）①從表中活化能數據看出在初始階段，甲烷蒸汽重整反應活化能較大，而甲烷氧化的反應活化能均較小，所以甲烷氧化的反應速率快，故答案為：小于。

②假設甲烷有1mol，水蒸氣有1mol，

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

起始量 1 1 0 0

變化量 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡量 0.8 0.8 0.2 0.6

平衡后混合氣體的總量：0.8 + 0.8 + 0.2 + 0.6=2.4mol，p(CH4)= p(H2O)=4/3，p(CO)=1/3，p(H2)=1，A點的平衡常數Kp=13×1/3÷(4/3)2=3/16(Mpa)2,根據圖像分析，溫度不變時，壓強減小，平衡左移，甲烷的轉化率增大，壓強(p1、p2、p3、p4)由大到小的順序為：p1>p2>p3>p4，故答案為：3/16(Mpa)2或0.1875( Mpa)2 ；p1>p2>p3>p4 。

③甲烷氧化反應放出熱量正好提供給甲烷蒸汽重整反應所吸收熱量，能量達到充分利用，故答案為：甲烷氧化反應放出熱量正好用于蒸汽重整反應所吸收自熱量，達到能量平衡。

（3）①.根據圖示分析，第一步反應是還原劑把四氧化三鐵還原為鐵，第二步反應是鐵被碳酸鈣氧化為四氧化三鐵，本身被還原為一氧化碳，故答案為：3Fe+4CaCO3Fe3O4+4CaO+4CO↑。

②.過程II的催化劑是：Fe3O4、CaO；反應的歷程：①CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)；②4H2(g)+ Fe3O4(s) 3Fe(s)+4 H2O(g)；③Fe3O4(s)+4CO(g) 3Fe(s)+ 4CO2(g)；三個反應消去Fe3O4和Fe，最終得到CH4(g)+3CO2(g) 2H2O(g)+ 4CO(g)；只有過程I投料比，催化劑組成才會保持不變。故答案為：Fe3O4、CaO ；1/3。