Question

某項(xiàng)目小組為解決新型燃料電池的氫源，開展了柴油自熱重整制氫項(xiàng)目研究．他們將柴油模擬成C₁₀H₂₁，并用3個(gè)獨(dú)立反應(yīng)描述柴油自熱重整制氫反應(yīng)過(guò)程：
（i）2C₁₀H₂₁（g）+20H₂O（g）═20CO（g）+41H₂（g）△H=+500kJ?moL^-1
（ii）2C₁₀H_2l（g）+10O₂（g）═20CO（g）+21H₂（g）△H=-200kJ?moL^-1
（iii）CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=+50kJ?moL^-1
請(qǐng)你參與項(xiàng)目小組的研究，并回答下列問(wèn)題．
（1）熱化學(xué)研究
①若要使該反應(yīng)體系中的（i）和（ii）兩反應(yīng)熱量達(dá)到平衡，反應(yīng)時(shí)加入的柴油、水和氧氣的物質(zhì)的量比為

 

．
②若起始時(shí)，柴油、水和氧氣的物質(zhì)的量比為2：30：5，反應(yīng)產(chǎn)物只有二氧化碳和氫氣，則上述反應(yīng)的總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為

 

．
（2）熱力學(xué)研究
一定溫度下，反應(yīng)（iii）的平衡常數(shù)為1．若在該溫度下，密閉容器中CO、H₂O、CO₂和H₂的起始濃度分別為1mol?L^-1、4mol?L^-1、3mol?L^-1、2mol?L^-1，則反應(yīng)開始時(shí)，此反應(yīng)將向

 

（填“正”或“逆”）反應(yīng)方向移動(dòng)，以達(dá)到平衡狀態(tài)．
（3）反應(yīng)條件的實(shí)驗(yàn)研究
①為尋找上述反應(yīng)的催化劑合適溫度，進(jìn)行了如下研究：將同物質(zhì)的量比的柴油、水、氧氣分別等量通人催化劑中，測(cè)得催化劑床層人口溫度與反應(yīng)生成混合氣中氫氣的體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖1．據(jù)此選擇該反應(yīng)較適宜的溫度應(yīng)為

 

，理由是

 

．

②實(shí)驗(yàn)中，項(xiàng)目小組得到如圖2的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，圖中氧碳摩爾比是指通人的氧氣中氧元素和柴油中碳元素的物質(zhì)的量比．則此實(shí)驗(yàn)的目的是

 

．
③為比較圖3和圖4兩種反應(yīng)器的制氫效益，請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)一個(gè)實(shí)驗(yàn)方案（要求簡(jiǎn)單敘述實(shí)驗(yàn)方法和所需測(cè)定的數(shù)據(jù)）．答：

 

．

Answer 1

分析：（1）①反應(yīng)達(dá)到平衡的實(shí)質(zhì)是反應(yīng)i和反應(yīng)ii焓變數(shù)值相同，依據(jù)（i）×2=（ii）×5計(jì)算得到柴油、水和氧氣的物質(zhì)的量比；
②設(shè)物質(zhì)的量C₁₀H_2l=2X，H₂O=30X，O₂=5X，前兩個(gè)反應(yīng)方程式各產(chǎn)生CO₂ 和H₂物質(zhì)的量多少，然后第三反應(yīng)方程式消耗CO₂物質(zhì)的量多少，最后按原子守恒得到熱化學(xué)方程式；
（2）依據(jù)反應(yīng)的濃度商和平衡常數(shù)大小進(jìn)行比較分析判斷反應(yīng)進(jìn)行方向，Q_C＜K，反應(yīng)正向進(jìn)行，Q_C＞K，反應(yīng)逆向進(jìn)行；
（3）①650℃氫氣的體積分?jǐn)?shù)較大，溫度升高對(duì)生成氫氣含量的增加較少； 該溫度下，制氫效益較好，再提高溫度制氫效益增加有限，且能量消耗大；
②研究氧碳摩爾比與制氫效率的關(guān)系；或研究制氫效益最高的氧碳摩爾比；
③在催化劑床層溫度相同時(shí)，將同物質(zhì)的量比的柴油、水、氧氣分別等量通入A、B兩種反應(yīng)器中，測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)

解答：解：（1）①（i）2C₁₀H₂₁（g）+20H₂O（g）═20CO（g）+41H₂（g）△H=+500kJ?moL^-1
（ii）2C₁₀H_2l（g）+10O₂（g）═20CO（g）+21H₂（g）△H=-200kJ?moL^-1
反應(yīng)達(dá)到平衡，吸熱反應(yīng)和放熱反應(yīng)能量變化相同，則依據(jù)（i）×2=（ii）×5得到：
14C₁₀H₂₁（g）+40H₂O（g）+50O₂（g）═140CO（g）+187H₂（g）△H=0，反應(yīng)達(dá)到平衡；
則柴油、水和氧氣的物質(zhì)的量比=14：40：50=7：20：25；
故答案為：7：20：25；
②設(shè)物質(zhì)的量C₁₀H_2l=2X，H₂O=30X，O₂=5X，前兩個(gè)反應(yīng)方程式各產(chǎn)生CO₂ 和H₂物質(zhì)的量多少，然后第三反應(yīng)方程式消耗CO₂物質(zhì)的量多少，計(jì)算得到熱化學(xué)方程式為：2C₁₀H_2l（g）+30H₂O（g）+5O₂（g）═20CO₂（g）+5l H₂（g）△H=+1150kJ?mol^-1；
故答案為：2C₁₀H_2l（g）+30H₂O（g）+5O₂（g）═20CO₂（g）+5l H₂（g）△H=+1150kJ?mol^-1；
（2）一定溫度下，反應(yīng)（iii）的平衡常數(shù)為1，（iii）CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=+50kJ?moL^-1
若在該溫度下，密閉容器中CO、H₂O、CO₂和H₂的起始濃度分別為1mol?L^-1、4mol?L^-1、3mol?L^-1、2mol?L^-1，濃度商Qc=

3×2

1×4

=1.5＞K，則反應(yīng)開始時(shí)向逆向進(jìn)行；
故答案為：逆；
（3）①分析圖中曲線的變化分析，650℃時(shí)氫氣的體積分?jǐn)?shù)較大，溫度升高對(duì)生成氫氣含量的增加較少，所以該溫度下，制氫效益較好，再提高溫度制氫效益增加有限，且能量消耗大；
故答案為：650℃；該溫度下，制氫效益較好，再提高溫度制氫效益增加有限，且能量消耗大；
②圖2分析曲線變化，橫軸和縱軸的意義可知，是研究氧碳摩爾比與制氫效率的關(guān)系；或研究制氫效益最高的氧碳摩爾比；
故答案為：研究氧碳摩爾比與制氫效率的關(guān)系；或研究制氫效益最高的氧碳摩爾比；
③為比較圖3和圖4兩種反應(yīng)器的制氫效益，需要在相同條件下進(jìn)行比較，測(cè)定生成氫氣的體積來(lái)比較制氫氣的效益，方案設(shè)計(jì)為：在催化劑床層溫度相同時(shí)，將同物質(zhì)的量比的柴油、水、氧氣分別等量通入A、B兩種反應(yīng)器中，測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)；
故答案為：在催化劑床層溫度相同時(shí)，將同物質(zhì)的量比的柴油、水、氧氣分別等量通入A、B兩種反應(yīng)器中，測(cè)量反應(yīng)產(chǎn)物氣體中氫氣的體積分?jǐn)?shù)；

點(diǎn)評(píng)：本題考查了熱化學(xué)方程式書寫、蓋斯定律的應(yīng)用、Q-K關(guān)系對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的影響、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，要求考生注意對(duì)反應(yīng)條件的控制，同時(shí)考查學(xué)生節(jié)能的意識(shí)，掌握基礎(chǔ)，培養(yǎng)閱讀能力的提高和理解是解題關(guān)鍵，題目難度中等．