Question

I、煤制天然气的工艺流程简图如下：

⑴反应I：C(s) + H₂O(g)CO(g) + H₂(g) ΔH = +135 kJ·mol^－1，通入的氧气会与部分碳发生燃烧反应。请利用能量转化及平衡移动原理说明通入氧气的作用：___________________________。

⑵反应II：CO(g) + H₂O(g) CO₂(g) + H₂(g) ΔH = −41 kJ·mol^－1。如图表示不同温度条件下，煤气化反应I发生后的汽气比（水蒸气与CO物质的量之比）与CO平衡转化率的变化关系。

① 判断T₁、T₂和T₃的大小关系：______________。（从小到大的顺序）

② 若煤气化反应I发生后的汽气比为0.8，经煤气化反应I和水气变换反应II后，得到CO与H₂的物质的量之比为1:3，则反应II应选择的温度是_______（填“T₁”或“T₂”或“T₃”）。

⑶① 甲烷化反应IV发生之前需要进行脱酸反应III。煤经反应I和II后的气体中含有两种酸性气体，分别是H₂S和_______。

  ② 工业上常用热碳酸钾溶液脱除H₂S气体得到两种酸式盐，该反应的离子方程式是_______。

II、利用甲烷超干重整CO₂技术可得到富含CO的气体，将甲烷和二氧化碳转化为可利用的化学品，其能源和环境上的双重意义重大。该技术中的化学反应为：

CH₄ (g)＋3CO₂ (g)2H₂O(g)＋4CO(g)    H>0

CH₄超干重整CO₂的催化转化原理示意如图：

 

⑷过程II，实现了含氢物种与含碳物种的分离。生成H₂O(g)的化学方程式是______________。

⑸假设过程I和过程II中的各步均转化完全，下列说法正确的是_______。（(填序号)

a．过程I和过程II中均含有氧化还原反应

b．过程II中使用的催化剂为Fe₃O₄ 和CaCO₃

c．若过程I投料，可导致过程II中催化剂失效

（6）一定条件下，向体积为2L的恒容密闭容器中充入1.2 mol CH₄(g)和4.8 mol CO₂(g)，发生反应CH₄ (g)＋3CO₂ (g)2H₂O(g)＋4CO(g)  H>0，实验测得，反应吸收的能量和甲烷的体积分数随时间变化的曲线图像如图。计算该条件下，此反应的H=________________。

Answer

氧气与碳发生燃烧反应放热，放出的热被可逆反应吸收利用，促进反应正向移动 T1 < T2 < T3 T3 CO2 CO32- + H2S HS - + HCO3- 4H2+Fe3O4 3Fe+4H2O a c +330 kJ/mol

【解析】I、（1）C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g）△H=+135kJ•mol-1，是吸热反应，而碳与氧气反应放出热量，使反应C（s）+H2O（g）CO（g）+H2（g），向正反应方向移动，提高碳的利用率；
（2）①反应CO（g）+H2O（g）CO2（g）+H2（g）△H=-41kJ•mol-1的正反应为放热反应，温度越高一氧化碳的转化率越低，由图可知，温度的大小为：T1＜T2＜T3；
②若煤气化反应I发生后的汽气比为0.8，设水蒸气的物质的量是4mol、则生成的CO物质的量为5mol，同时生成5mol氢气，经煤气化反应I和水气变换反应II后，设反应II中CO转化的为xmol，则生成xmol氢气，则（5-x）：（5+x）=1：3，x=2.5，CO的转化率=×100%=50%，根据图知，反应温度为T3；
（3）①根据方程式II知，生成的酸性气体还有二氧化碳；
②工业上常用热碳酸钾法脱除H2S气体得到两种酸式盐，则二者反应生成碳酸氢钾和硫氢化钾，反应方程式为K2CO3+H2S═KHS+KHCO3；

II、⑷由图示可知，过程II中氢气还原Fe3O4生成H2O，发生反应的化学方程式是4H2+Fe3O4 3Fe+4H2O；

⑸假设过程I和过程II中的各步均转化完全，下列说法正确的是_______。（(填序号)

a．过程I有氢气生成，而过程II中存在氢气还原四氧化三铁和CO还原四氧化三铁，均属于氧化还原反应，故a正确；b．过程II中使用的催化剂为Fe3O4和CaO，故b错误；c．若过程I投料，则CH4和CO2恰好生成CO和H2，无多余的CO2，导致过程II中只能生成FeO，催化剂效果降低，故c正确；答案为ac；

（6） CH4 (g)＋3CO2 (g)2H2O(g)＋4CO(g)

起始物质的量(mol) 1.2 4.8 0 0

变化物质的量(mol) x 3x 2x 4x

平衡物质的量(mol) 1.2- x 4.8-3x 2x 4x

平衡时CH4的体积为=，解得x=0.36mol，则H=+118.8× kJ/mol=+330kJ/mol。