Question

【題目】I、煤制天然氣的工藝流程簡圖如下：

⑴反應(yīng)I：C(s) + H2O(g)CO(g) + H2(g) ΔH = +135 kJ·mol－1，通入的氧氣會與部分碳發(fā)生燃燒反應(yīng)。請利用能量轉(zhuǎn)化及平衡移動原理說明通入氧氣的作用：___________________________。

⑵反應(yīng)II：CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ΔH = 41 kJ·mol－1。如圖表示不同溫度條件下，煤氣化反應(yīng)I發(fā)生后的汽氣比（水蒸氣與CO物質(zhì)的量之比）與CO平衡轉(zhuǎn)化率的變化關(guān)系。

① 判斷T1、T2和T3的大小關(guān)系：______________。（從小到大的順序）

② 若煤氣化反應(yīng)I發(fā)生后的汽氣比為0.8，經(jīng)煤氣化反應(yīng)I和水氣變換反應(yīng)II后，得到CO與H2的物質(zhì)的量之比為1:3，則反應(yīng)II應(yīng)選擇的溫度是_______（填“T1”或“T2”或“T3”）。

⑶① 甲烷化反應(yīng)IV發(fā)生之前需要進行脫酸反應(yīng)III。煤經(jīng)反應(yīng)I和II后的氣體中含有兩種酸性氣體，分別是H2S和_______。

② 工業(yè)上常用熱碳酸鉀溶液脫除H2S氣體得到兩種酸式鹽，該反應(yīng)的離子方程式是_______。

II、利用甲烷超干重整CO2技術(shù)可得到富含CO的氣體，將甲烷和二氧化碳轉(zhuǎn)化為可利用的化學品，其能源和環(huán)境上的雙重意義重大。該技術(shù)中的化學反應(yīng)為：

CH4 (g)＋3CO2 (g)2H2O(g)＋4CO(g) H>0

CH4超干重整CO2的催化轉(zhuǎn)化原理示意如圖：

⑷過程II，實現(xiàn)了含氫物種與含碳物種的分離。生成H2O(g)的化學方程式是______________。

⑸假設(shè)過程I和過程II中的各步均轉(zhuǎn)化完全，下列說法正確的是_______。（(填序號)

a．過程I和過程II中均含有氧化還原反應(yīng)

b．過程II中使用的催化劑為Fe3O4 和CaCO3

c．若過程I投料，可導(dǎo)致過程II中催化劑失效

（6）一定條件下，向體積為2L的恒容密閉容器中充入1.2 mol CH4(g)和4.8 mol CO2(g)，發(fā)生反應(yīng)CH4 (g)＋3CO2 (g)2H2O(g)＋4CO(g) H>0，實驗測得，反應(yīng)吸收的能量和甲烷的體積分數(shù)隨時間變化的曲線圖像如圖。計算該條件下，此反應(yīng)的H=________________。

Answer 1

【答案】 氧氣與碳發(fā)生燃燒反應(yīng)放熱，放出的熱被可逆反應(yīng)吸收利用，促進反應(yīng)正向移動 T1 < T2 < T3 T3 CO2 CO32- + H2S HS - + HCO3- 4H2+Fe3O4 3Fe+4H2O a c +330 kJ/mol

【解析】I、（1）C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g）△H=+135kJmol-1，是吸熱反應(yīng)，而碳與氧氣反應(yīng)放出熱量，使反應(yīng)C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g），向正反應(yīng)方向移動，提高碳的利用率；
（2）①反應(yīng)CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）△H=-41kJmol-1的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越高一氧化碳的轉(zhuǎn)化率越低，由圖可知，溫度的大小為：T1＜T2＜T3；
②若煤氣化反應(yīng)I發(fā)生后的汽氣比為0.8，設(shè)水蒸氣的物質(zhì)的量是4mol、則生成的CO物質(zhì)的量為5mol，同時生成5mol氫氣，經(jīng)煤氣化反應(yīng)I和水氣變換反應(yīng)II后，設(shè)反應(yīng)II中CO轉(zhuǎn)化的為xmol，則生成xmol氫氣，則（5-x）：（5+x）=1：3，x=2.5，CO的轉(zhuǎn)化率=×100%=50%，根據(jù)圖知，反應(yīng)溫度為T3；
（3）①根據(jù)方程式II知，生成的酸性氣體還有二氧化碳；
②工業(yè)上常用熱碳酸鉀法脫除H2S氣體得到兩種酸式鹽，則二者反應(yīng)生成碳酸氫鉀和硫氫化鉀，反應(yīng)方程式為K2CO3+H2S═KHS+KHCO3；

II、⑷由圖示可知，過程II中氫氣還原Fe3O4生成H2O，發(fā)生反應(yīng)的化學方程式是4H2+Fe3O4 3Fe+4H2O；

⑸假設(shè)過程I和過程II中的各步均轉(zhuǎn)化完全，下列說法正確的是_______。（(填序號)

a．過程I有氫氣生成，而過程II中存在氫氣還原四氧化三鐵和CO還原四氧化三鐵，均屬于氧化還原反應(yīng)，故a正確；b．過程II中使用的催化劑為Fe3O4和CaO，故b錯誤；c．若過程I投料，則CH4和CO2恰好生成CO和H2，無多余的CO2，導(dǎo)致過程II中只能生成FeO，催化劑效果降低，故c正確；答案為ac；

（6） CH4 (g)＋3CO2 (g)2H2O(g)＋4CO(g)

起始物質(zhì)的量(mol) 1.2 4.8 0 0

變化物質(zhì)的量(mol) x 3x 2x 4x

平衡物質(zhì)的量(mol) 1.2- x 4.8-3x 2x 4x

平衡時CH4的體積為=，解得x=0.36mol，則H=+118.8× kJ/mol=+330kJ/mol。