Question

【題目】2017年5月18日中共中央國(guó)務(wù)院公開(kāi)致電祝賀南海北部神狐海域進(jìn)行的“可燃冰”試采成功。“可燃冰”是天然氣水合物，外形像冰，在常溫常壓下迅速分解釋放出甲烷，被稱為未來(lái)新能源。

（1）“可燃冰”作為能源的優(yōu)點(diǎn)是__________(回答一條即可)。

（2）甲烷自熱重整是先進(jìn)的制氫方法,包含甲烷氧化和蒸汽重整兩個(gè)過(guò)程。向反應(yīng)系統(tǒng)同時(shí)通入甲烷，氧氣和水蒸氣,發(fā)生的主要化學(xué)反應(yīng)如下:

反應(yīng)過(guò)程	化學(xué)方程式	焓變△H(kJ.mol-l)	活化能E.(kJ.mol-1)
甲烷氧化	CH4(g)+O2(g)CO(g)+2H2O(g)	-802.6	125.6
	CH4(g)+O2(g)CO2(g)+2H2(g)	-322.0	172.5
蒸氣重整	CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)	+206.2	240.1
	CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)	+158.6	243.9

回答下列問(wèn)題:

①在初始階段，甲烷蒸汽重整的反應(yīng)速率______(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷氧化的反應(yīng)速率。

②反應(yīng)CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)關(guān)系[其中n(CH4)：n(H2O)=1:1]如圖所示。

該反應(yīng)在圖中A點(diǎn)的平衡常數(shù)Kp=________(用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))，圖中壓強(qiáng)(p1、p2、p3、p4)由大到小的順序?yàn)?/span>___________。

③從能量角度分析，甲烷自熱重整方法的先進(jìn)之處在于___________。

④如果進(jìn)料中氧氣量過(guò)大,最終會(huì)導(dǎo)致H2物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降底，原因是__________。

（3）甲烷超干重整CO2技術(shù)可得到富含CO的氣體，其能源和開(kāi)境上的雙重意義重大，甲烷超干重整CO2的催化轉(zhuǎn)化原理如圖所示。

①過(guò)程II中第二步反應(yīng)的化學(xué)方程式為_____________。

②只有過(guò)程I投料比_______，過(guò)程II中催化劑組成才會(huì)保持不變。

③該技術(shù)總反應(yīng)的熱化學(xué)方式為______________。

Answer 1

【答案】 能量密度高、清潔、污染小、儲(chǔ)量大 小于 (Mpa)2或0.1875(Mpa)2 p1>p2>p3>p4 甲烷氧化反應(yīng)放出熱量正好洪蒸汽重整反應(yīng)所吸收自熱量，達(dá)到能量平衡 氧氣量過(guò)大,會(huì)將H2氧化導(dǎo)致H2物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低 3Fe+4CaCO3Fe3O4+4CaO+4CO↑ 1/3 CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g) △H=+349kJ/mol

【解析】(1). “可燃冰”分子結(jié)構(gòu)式為：CH4·H2O，是一種白色固體物質(zhì)，外形像冰，有極強(qiáng)的燃燒力，可作為上等能源。它主要由水分子和烴類氣體分子（主要是甲烷）組成，所以也稱它為甲烷水合物，它的優(yōu)點(diǎn)：能量密度高、清潔、污染小、儲(chǔ)量大等；正確答案：能量密度高、清潔、污染小、儲(chǔ)量大。

（2）①?gòu)谋碇谢罨�能�?shù)據(jù)看出在初始階段，甲烷蒸汽重整反應(yīng)活化能較大，而甲烷氧化的反應(yīng)活化能均較小，所以甲烷氧化的反應(yīng)速率快；正確答案：小于。

② 根據(jù)題給信息，假設(shè)甲烷有1mol, 水蒸氣有1mol,

CH4(g)+ H2O(g) CO(g)+ 3H2(g)

起始量 1 1 0 0

變化量 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡量 0.8 0.8 0.2 0.6

平衡后混合氣體的總量：0.8+0.8+0.2+0.6=2.4 mol；各物質(zhì)分壓分別為：p(CH4)=p(H2O)=4×0.8÷2.4=4/3，p(C0)= 4×0.2÷2.4=1/3, p(H2)=4×0.6÷2.4=1，A點(diǎn)的平衡常數(shù)Kp=13×1/3÷（4/3）2=3/16；根據(jù)圖像分析，當(dāng)溫度不變時(shí)，壓強(qiáng)減小，平衡左移，甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，所以壓強(qiáng)的大小順序：p1>p2>p3>p4；正確答案3/16；p1>p2>p3>p4。

③甲烷氧化反應(yīng)放出熱量正好提供給甲烷蒸汽重整反應(yīng)所吸收熱量，能量達(dá)到充分利用；正確答案：甲烷氧化反應(yīng)放出熱量正好洪蒸汽重整反應(yīng)所吸收自熱量，達(dá)到能量平衡。

④氧氣量過(guò)大,剩余的氧氣會(huì)將H2氧化為水蒸氣，會(huì)導(dǎo)致H2物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低；正確答案：氧氣量過(guò)大,會(huì)將H2氧化導(dǎo)致H2物質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

（3）①根據(jù)圖示分析，第一步反應(yīng)是還原劑把四氧化三鐵還原為鐵，第二步反應(yīng)是鐵被碳酸鈣氧化為四氧化三鐵，而本身被還原為一氧化碳；正確答案：3Fe+4CaCO3 Fe3O4+4CaO+4CO↑。

②反應(yīng)的歷程：①CH4(g)+ CO2(g)2H2(g) +2CO(g);②Fe3O4(s)+4H23Fe(s)+4H2O(g); ③Fe3O4(s)+4 CO(g)3Fe(s)+4 CO2(g);三個(gè)反應(yīng)消去Fe3O4和Fe，最終得到CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g)；所以只有過(guò)程I投料比1/3時(shí)，才能保證II中催化劑組成保持不變；正確答案：1/3。

③ ①CH4(g)+3/2O2(g)CO(g)+2H2O(g) △H1=-802.6 kJ.mol-l；

②CH4(g)+O2(g)CO2(g)+2H2(g) △H2=-322.0 kJ.mol-l；

③CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g) △H3=+158.6 kJ.mol-l；

②×1.5-①得方程式⑤：1/2 CH4(g)+ CO(g)+ 2H2O(g)=3/2 CO2(g)+3 H2(g)，△H4=3/2△H2-△H1； 然后再進(jìn)行③×3-⑤×4得方程式并進(jìn)行△H的相關(guān)計(jì)算：CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g)，△H=+349kJ/mol；正確答案：CH4(g)+ 3CO2(g)2H2O(g) +4CO(g)，△H=+349kJ/mol。