Question

【題目】氨和甲烷等原料在工業生產中發揮著重要的作用。

Ⅰ．我國科學家以MoS2 為催化劑，通過調節催化劑/電解質的表界面相互作用，在不同電解質溶液中實現常溫電催化合成氨，其反應歷程與相對能量模擬計算結果如圖所示。

(1)將Na2SO4 溶液換成Li2SO4 溶液后，反應速率明顯加快的主要原因是加快了下列____________轉化的反應速率(填標號)。

A．N2→*N2 B．*N2→*N2H C．*N2H3→*N D．*NH→*NH2

Ⅱ. 甲烷水蒸氣的重整反應是工業制備氫氣的重要方式，其化學反應方程式為CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)。回答下列問題：

(2)已知：CH4(g)+2O2(g)= CO2(g)+ 2H2O(l) ΔH1=akJ·mol—1，

2CO(g)+O2(g)= 2CO2(g) ΔH2=b kJ·mol—1，

2H2(g) +O2(g)=2 H2O (l) ΔH3=c kJ·mol—1

CO(g)+ H2O(g)= CO2(g)+ H2 (g) ΔH4=d kJ·mol—1

則甲烷水蒸氣重整反應的ΔH=____________kJ·mol—1（用字母a、b、c、d表示）通過計算機模擬實驗，對400~1200℃、操作壓強為0.1MPa條件下，不同水碳比（1~10）進行了熱力學計算，反應平衡體系中H2物質的量分數與水碳比、平衡溫度的關系如圖所示：

①結合如圖回答：當平衡溫度一定時，H2的物質的量分數與水碳比（1~10）的關系是________，其原因是_____________。

②若密閉容器中僅發生CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)，平衡溫度為750℃，水碳比為1.0時，H2的物質的量分數0.5，甲烷的轉化率為___________，其壓強平衡常數Kp為________；用氣體分壓表示反應速率方程為v=k p(CH4)·p—1(H2)，則此時反應速率v=_________。（已知：氣體分壓=氣體的物質的量分數×總壓，速率方程中k 為速率常數）。

Ⅲ.利用天然氣合成氨，并生產尿素的流程如下：

(3)“電化學轉化與分離”裝置如圖，混合氣中CO轉化成CO2的電極反應式為______。

Answer 1

【答案】B (a+d-b-c) 水碳水比大時，H2的物質的量分數越大 水碳水比較大時，CO會與H2O進一步反應生成H2，使H2的物質的量分數增大 50.0% 7.5×10-3(MPa) CO-2e-+H2O=CO2+2H+

【解析】

(1)由圖可知，需要吸收的能量最高，是該反應過程中的決定反應速率的步驟，將Na2SO4 溶液換成Li2SO4 溶液后，需要的能量降低，反應速率加快，故選B；

(2)設CH4(g)+2O2(g)= CO2(g)+ 2H2O(l) ΔH1=akJ·mol—1，為反應①；

2CO(g)+O2(g)= 2CO2(g) ΔH2=b kJ·mol—1，為反應②；

2H2(g) +O2(g)=2 H2O (l) ΔH3=c kJ·mol—1，為反應③；

CO(g)+ H2O(g)= CO2(g)+ H2 (g) ΔH4=d kJ·mol—1為反應④；

根據蓋斯定律，反應CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)可由①+④-②-③得到，故該反應的ΔH= (a+d-b-c) kJ·mol—1；

①根據曲線走勢可知，水碳比越大，H2的物質的量分數越大；根據題(2)中的反應可知，當水碳比較大時，甲烷水解重整反應體系中會存在CO與H2O的反應CO(g)+ H2O(g)= CO2(g)+ H2 (g)，會使H2的物質的量分數增大；

②由于水碳比為1.0，設開始加入的CH4和H2O的物質的量都為，轉化的物質的量為。

，解得=0.5mol，故CH4的轉化率為；

反應后的總物質的量為3mol，所以CH4、H2O、CO、H2的分壓分別為：、、、，；

用氣體分壓表示反應速率方程為v=k p(CH4)·p—1(H2)== ；

(3)CO轉化成CO2時CO失電子，電極反應為：CO-2e-+H2O=CO2+2H+。