Question

【題目】甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)是工業(yè)制備氫氣的重要方式，其化學(xué)反應(yīng)方程式為CH4(g)+H2O(g)CO(g)＋3H2(g)�；卮鹣铝袉栴}：

（1）已知CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1=-890.3kJ·mol-1

CO(g)＋0.5O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283.0kJ·mol-1

H2(g)＋0.5O2(g)=H2O(l) ΔH3=-285.8kJ·mol-1

CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g) ΔH4=-41.0kJ·mol-1

則甲烷水蒸氣重整反應(yīng)的ΔH=_____kJ·mol-1。

（2）通過計(jì)算機(jī)模擬實(shí)驗(yàn)，對400～1200℃、操作壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，不同水碳比（1～10）進(jìn)行了熱力學(xué)計(jì)算，反應(yīng)平衡體系中H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比、平衡溫度的關(guān)系如圖所示。

①溫度一定時，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比（1～10）的關(guān)系是_____，產(chǎn)生該結(jié)論的原因是_____。

②據(jù)模擬實(shí)驗(yàn)可知，平衡溫度為900℃，水碳比為1.0時，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，CH4的轉(zhuǎn)化率為_____，其壓強(qiáng)平衡常數(shù)為_____；反應(yīng)速率方程為v=kp(CH4)p-1(H2)，此時反應(yīng)速率v=_____。

（已知：氣體分壓=氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)×總壓，速率方程中k為速率常數(shù)）。

（3）厭氧細(xì)菌可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CH4和H2，pH為5.5時不同熱預(yù)處理溫度和時間下的甲烷和氫氣的產(chǎn)率如圖所示，若要提高H2的產(chǎn)率，最佳溫度為_____。

Answer 1

【答案】+206.3 水碳比越大，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大 水碳比較大時，CO會與H2O進(jìn)一步反應(yīng)生成H2，使H2的物質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大 66.7% 4.32×10-2(Mpa)2 80℃

【解析】

(1)①＋④2×②2×③即得甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)方程式，用蓋斯定律求甲烷水蒸氣重整反應(yīng)的△H；

(2)①H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比(1～10)的關(guān)系由圖知；原因從生成氫氣的反應(yīng)角度來回答；

②平衡溫度為900℃，水碳比為1.0時，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，列三段式求解CH4的轉(zhuǎn)化率、壓強(qiáng)平衡常數(shù)；根據(jù)壓強(qiáng)與氣體物質(zhì)的量成正比，結(jié)合三段式計(jì)算；

(3)厭氧細(xì)菌可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CH4和H2，提高H2的產(chǎn)率的最佳溫度，由圖可知。

(1)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1=-890.3kJ·mol-1

②CO(g)＋0.5O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283.0kJ·mol-1

③H2(g)＋0.5O2(g)=H2O(l) ΔH3=-285.8kJ·mol-1

④CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g) ΔH4=-41.0kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律，①＋④2×②2×③即得甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)方程式為CH4(g)+H2O(g)CO(g)＋3H2(g)，則甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)△H＝△H1＋△H42△H22△H3＝（890.341＋2×283.0＋2×285.8）kJmol1＝＋206.3 kJmol1；

(2)①平衡溫度一定時，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與水碳比(1～10)的關(guān)系，由圖中曲線走勢可知，水碳比越大，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大的原因，從生成氫氣的反應(yīng)可知，除了甲烷水蒸氣的重整反應(yīng)生成氫氣外，一氧化碳和水也會反應(yīng)產(chǎn)生氫氣；

②操作壓強(qiáng)為0.1MPa、平衡溫度為900℃條件下，水碳比為1.0時，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，設(shè)甲烷和H2O的物質(zhì)的量均為3mol，達(dá)化學(xué)平衡時，甲烷消耗xmol，則：

H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)＝＝＝0.6，解得x＝2mol，轉(zhuǎn)化率α(CH4)＝×100%＝×100%＝66.67%，平衡常數(shù)K＝＝(Mpa)2＝4.32×10-2(Mpa)2；反應(yīng)速率v=kp(CH4)p-1(H2)＝k＝k＝k×＝；

(3)厭氧細(xì)菌可將葡萄糖轉(zhuǎn)化為CH4和H2，由圖可知，pH為5.5時，若要提高H2的產(chǎn)率，降低甲烷產(chǎn)率，最佳溫度為80℃。