Question

【題目】工業所需氫氣大部分由化學法制得，制取出過程中不可避免的會產生副產物CO、CO2、H2S等，CO選擇性催化甲烷化技術可實現CO轉化為CH4和H2O以達到凈化氫氣的目的。富氫氣氛中CO和CO2甲烷化反應：

CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g)△H=-206.2kJmol-1

CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H=-165.0kJmol-1

回答下列問題：

（1）CO的轉化率()及H2對CO的選擇性()是衡量工藝優劣的重要指標。其中nco,in及分別為反應器入口CO、H2物質的量；nco,out及分別為反應器出口CO、H2的物質的量。

①以一定流速將富氫（含CO和CO2通過反應器 ，溫度低于250℃時，在Ni-ZrO2-SiO2催化劑表面CO和CO2甲烷化速率均隨溫度升高而增大，則該溫度范圍內XCO將________（填“增大”“減小”或“無法判斷”)。

②溫度高于270℃反應CO2速率迅速增加，此時H2對CO的選擇性開始________（填“升高”“下降”或“不變”)。

（2）恒溫恒容條件下H2S發生分解反應,2H2S(g)2H2(g)+S2(g),初始投入2molH2S和1moH2,容器中的壓強為p,一段時間后反應達到平衡，H2S的物質的量為1mol。

①則初始時H2S的分壓為________ 。

②該反應的Kp=________(Kp表示分壓平衡常數，分壓＝總壓×物質的量分數）。

（3）甲烷化過程中H2S會使催化劑中毒，下是圖3個H2S在催化劑表面逐步解離的能量變化圖：

注：TS表示過渡狀態

①（c）圖中H2S的解離分為________步，決定分解速率快慢的是第________步．

②（b）圖SH解離為硫原子和氫原子的反應熱為________eV.

③Prodhomme研究發現H2S的解離難易與硫原子在催化劑表面吸附的多少有一定關系，觀察上圖預測該關系為________。

Answer 1

【答案】增大 下降 p p 二 二 -0.19 催化劑表面吸附的硫原子越多，越不利于H2S解離

【解析】

（1）反應達到平衡之前，溫度越高反應越快，反應物的轉化率越大；根據反應條件判斷改變溫度的時候，哪個反應受溫度的影響比較大；

（2）根據反應前后反應物、生成物的變化量之比等于化學計量數之比，計算出平衡時反應物、生成物的物質的量，然后根據恒溫恒容的容器中，壓強之比等于物質的量之比，計算出反應后容器的總壓強，根據分壓＝總壓×物質的量分數，計算出平衡時反應物、生成物各自的分壓，最后計算分壓平衡常數；

（3）從圖中找出H2S解離的過程，每一步解離能量的變化，反應的快慢取決于能壘比較高的，能壘越高反應速率越慢；根據反應熱=生成物的總能量-反應物的總能量。

（1）①溫度低于250℃時，在Ni-ZrO2-SiO2催化劑表面CO和CO2甲烷化速率均隨溫度升高而增大，說明溫度低于250℃時，反應未達到平衡，故升高溫度，化學反應速率加快，CO的轉化率增大；

②溫度高于270℃反應CO2速率迅速增加，則CO2和H2的轉化率增大，c(H2)減小、c(CH4)增大，導致反應CO(g)+3H2(g) CH4(g)+H2O(g)的平衡逆向移動，CO的轉化率降低，即nco,in—nco,out減小，—增大，則H2對CO的選擇性下降；

（2）①初始投入2molH2S和1moH2，容器中的壓強為p，則初始時H2S的分壓為p；

②反應2H2S(g) 2H2(g)+S2(g)，初始投入2molH2S和1moH2，容器中的壓強為p，一段時間后反應達到平衡，H2S的物質的量為1mol，則反應消耗H2S的物質的量為2mol-1mol=1mol，根據化學反應中反應物、生成物的物質的量變化之比等于化學計量數之比，故平衡時生成的H2、S2的物質的量分別為1mol、0.5mol，故平衡后H2、S2的物質的量分別為1mol+1mol=2mol，0.5mol。恒溫恒容條件下，反應前后壓強之比等于總物質的量之比，令平衡后容器中的總壓強為p1，則p：p1=3：(1+2+0.5)，p1=，平衡后的分壓p(H2S)=，p(H2)= ，p(S2)=，Kp=；

（3）①由圖(c)可知，H2S的解離分為兩個過程：H2S →HS+S，HS →H+S，第二步能壘高，反應進行比較慢，決定整個反應的快慢，

②由圖(b)可知HS解離為硫原子和氫原子為第二步過程，反應熱為-1.18eV-(-0.99eV)=-0.19eV；

③由圖(a)、(b)、(c)可知，解離第一個H2S的反應熱為-3.0eV，解離第二個H2S的反應熱為-1.18eV，解離第三個H2S的反應熱為+0.62eV，即催化劑表面吸附的S原子越多，H2S的解離越難。