Question

【題目】和既是溫室氣體又是豐富的碳基資源。甲烷與二氧化碳重整反應是制合成氣()的有效途徑之一。合成氣可用于二甲醚合成、羰基合成、費托合成等。因此，具有較好的市場前景。

(1)已知在、298K條件下，各物質燃燒熱數(shù)據(jù)如下表：

物質(g)
燃燒熱()	-890.0	-283.0	-285.0	0

則甲烷與二氧化碳重整反應制合成氣的熱化學方程式為：________________；

(2)在T℃時，向容積為2L的剛性容器中充入和。反應體系中的物質的量隨時間變化關系如下表：

60

時間/min	0	20	50	100
	0.5	0.48	0.25	0.25	0.25

①20min時，________；當反應進行到60min時，________20min時的大小關系(填“＜”、“=”或“＞”)；反應進行到60min時，下列能夠提高平衡時合成氣產率的措施有：_______________________。

A．將反應時間延長至150min B．移除一部分合成氣

C．適當提高反應升高溫度 D．改用高效催化劑

②反應進行到下列各圖的p點時，能夠說明該反應達到平衡狀態(tài)的是：___________。

A. B. C. D.

③已知：p(H2)、p(CO)、p(CH4)和p(CO2)為各組分的平衡分壓(氣體分壓p=氣體總壓p總×體積分數(shù))，p總為平衡總壓。若開始測得反應體系的壓強為3.0Mpa，則合成氣反應達到平衡狀態(tài)時Kp=________。(結果保留一位小數(shù))

(3)由于原料氣的比較高，催化劑易結焦，特別是高溫反應時積碳嚴重，影響了此過程大規(guī)模工業(yè)化的應用。某科研小組研究了Sr助劑對10%催化劑性能的影響如表1所示，請判斷催化劑上Sr助劑的最佳質量含量為________(橫坐標表示Sr助劑的質量含量)，判斷的理由是________________(寫出兩點)

(4)如圖所示，以為燃料氣，高溫電化學法制備合成氣的發(fā)電系統(tǒng)中，在電場作用下，通過氧化物電解質中氧空位遷移到負極，與發(fā)生氧化還原反應。試用電極反應方程式表示負極發(fā)生反應的總過程：___________________________________。

Answer 1

【答案】 ＜ BC C 3% 其一，Sr助劑應使得原料氣的轉化率盡可能大；其二，催化劑表面積碳的質量含量盡可能低，結合這兩點，最佳的質量含量應該為3%

【解析】

根據(jù)已知條件，利用燃燒熱的相關熱化學方程式和蓋斯定律可計算出制合成氣的反應熱。利用已知數(shù)據(jù)可以求出二氧化碳的速率，根據(jù)氫氣與二氧化碳的計量數(shù)之比計算出氫氣的化學反應速率。反應進行到60min時，已經達到平衡狀態(tài)，此時，而20min時，反應還在正向進行，判斷出60min時，和20min時的大小關系。提高產率，即找到使平衡正向移動的措施。根據(jù)平衡狀態(tài)的判斷依據(jù)進行判斷。根據(jù)壓強之比等于物質的量之比和“三段式”進行計算。從Sr助劑應和催化劑表面積碳的質量進行分析。負極發(fā)生失電子的氧化反應，根據(jù)元素守恒和化合價的變化寫出電極反應。

(1)根據(jù)已知條件，利用燃燒熱的相關熱化學方程式；

①；

②；

③；

蓋斯定律，①-2(②+③)可計算出制合成氣的反應熱：，故熱化學方程式為： ；

(2) ①，,反應進行到60min時，已經達到平衡狀態(tài)，此時，而20min時，反應還在正向進行，，故60min時小于20min時；

A.由于反應已經進入平衡狀態(tài)，再延長反應時間不能提高反應的限度，轉化率不變,不改變化學平衡，故無法提高合成氣率，故A不符合題意；

B.移除一部分合成氣降低了生成物濃度，平衡正向移動，可以提高合成氣產率，故B符合題意；

C.適當提高反應升高溫度，由于該反應吸熱，化學平衡將向正反應方向進行，可以提高產率，故C符合題意；

D.改用高效催化劑不影響化學平衡移動，轉化率不變，產率也不變；故D不符合題意；

答案為BC；

②A．假設轉化了x，則根據(jù)關系式，也轉化了x。則有：；，二者的轉化學率比值等于2為一定值，所以p點不能說明反應達到平衡狀態(tài)，故A錯誤；

B．反應熱與化學平衡與否無關，故B錯誤；

C．的體積分數(shù)不隨時間變化，而且p點正好落在直線上，說明反應已經達到平衡，故C正確；

D．圖中給出了兩種不同的催化劑載體對CO產率的影響。載體不同，催化劑體系就不同。不同的催化劑在給定的反應條件下不影響產物的產率。Ni基載體的催化效果優(yōu)于，能夠提高CO的產率，說明此時的p點一定不是平衡狀態(tài)，故D錯誤；

答案選C；

③根據(jù)三段式，可求平衡時各物種的物質的量如下：

則，，，根據(jù)，同溫度同體積，壓強之比等于物質的量之比。反應開始，；平衡時的，則，，，，則；

(3)根據(jù)圖表出示的數(shù)據(jù)，該工藝的副反應是甲烷的熱裂解，產生積碳附著在催化劑表面。Sr助劑的最佳質量含量應該能起到兩點作用，其一，使得原料氣的轉化率盡可能大；其二，催化劑表面積碳的質量含量盡可能低，結合這兩點，最佳的質量含量應該為3%；

(4)根據(jù)題目的要求，甲烷失去電子，一部分給了，一部分直接在電極上轉移電子給H元素，轉化為，在負極直接產生合成氣CO和，電極反應為：。