Question

【題目】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：

（1）已知CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1=-890.3kJ·mol-1

CO(g)＋0.5O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283.0kJ·mol-1

H2(g)＋0.5O2(g)=H2O(l) ΔH3=-285.8kJ·mol-1

CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g) ΔH4=-41.0kJ·mol-1

則甲烷水蒸氣重整反應的ΔH=_____kJ·mol-1。

（2）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的物質的量分數與水碳比、平衡溫度的關系如圖所示。

①溫度一定時，H2的物質的量分數與水碳比（1～10）的關系是_____，產生該結論的原因是_____。

②據模擬實驗可知，平衡溫度為900℃，水碳比為1.0時，H2的物質的量分數為0.6，CH4的轉化率為_____，其壓強平衡常數為_____；反應速率方程為v=kp(CH4)p-1(H2)，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）。

（3）厭氧細菌可將葡萄糖轉化為CH4和H2，pH為5.5時不同熱預處理溫度和時間下的甲烷和氫氣的產率如圖所示，若要提高H2的產率，最佳溫度為_____。

Answer 1

【答案】+206.3 水碳比越大，H2的物質的量分數越大 水碳比較大時，CO會與H2O進一步反應生成H2，使H2的物質量分數增大 66.7% 4.32×10-2(Mpa)2 80℃

【解析】

(1)①＋④2×②2×③即得甲烷水蒸氣的重整反應方程式，用蓋斯定律求甲烷水蒸氣重整反應的△H；

(2)①H2的物質的量分數與水碳比(1～10)的關系由圖知；原因從生成氫氣的反應角度來回答；

②平衡溫度為900℃，水碳比為1.0時，H2的物質的量分數為0.6，列三段式求解CH4的轉化率、壓強平衡常數；根據壓強與氣體物質的量成正比，結合三段式計算；

(3)厭氧細菌可將葡萄糖轉化為CH4和H2，提高H2的產率的最佳溫度，由圖可知。

(1)已知：①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)＋2H2O(l) ΔH1=-890.3kJ·mol-1

②CO(g)＋0.5O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283.0kJ·mol-1

③H2(g)＋0.5O2(g)=H2O(l) ΔH3=-285.8kJ·mol-1

④CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g) ΔH4=-41.0kJ·mol-1

根據蓋斯定律，①＋④2×②2×③即得甲烷水蒸氣的重整反應方程式為CH4(g)+H2O(g)CO(g)＋3H2(g)，則甲烷水蒸氣的重整反應△H＝△H1＋△H42△H22△H3＝（890.341＋2×283.0＋2×285.8）kJmol1＝＋206.3 kJmol1；

(2)①平衡溫度一定時，H2的物質的量分數與水碳比(1～10)的關系，由圖中曲線走勢可知，水碳比越大，H2的物質的量分數越大的原因，從生成氫氣的反應可知，除了甲烷水蒸氣的重整反應生成氫氣外，一氧化碳和水也會反應產生氫氣；

②操作壓強為0.1MPa、平衡溫度為900℃條件下，水碳比為1.0時，H2的物質的量分數為0.6，設甲烷和H2O的物質的量均為3mol，達化學平衡時，甲烷消耗xmol，則：

H2的物質的量分數＝＝＝0.6，解得x＝2mol，轉化率α(CH4)＝×100%＝×100%＝66.67%，平衡常數K＝＝(Mpa)2＝4.32×10-2(Mpa)2；反應速率v=kp(CH4)p-1(H2)＝k＝k＝k×＝；

(3)厭氧細菌可將葡萄糖轉化為CH4和H2，由圖可知，pH為5.5時，若要提高H2的產率，降低甲烷產率，最佳溫度為80℃。