Question

合成气用途非常广泛,可以煤、天然气等为原料生产。回答下列问题:

(1)用H₂O(g)和O₂重整CH₄制合成气的热化学方程式如下:

(水蒸气重整)CH₄(g)+ H₂O(g)=CO(g)+3H₂(g)   ∆H=+ 206 kJ●mol ^-1

(氧气重整)CH₄(g)+0.5O₂(g)=CO(g)+2H₂(g)    ∆H=-36 kJ●mol^-1

①2H₂(g)+O₂(g)=2H₂O(g)的           ∆H=_______kJ●mol^-1。

②为了保持热平衡,同时用两种方式重整,不考虑热量损失,理论上得到的合成气中n(CO): n(H₂)=1 :____(保留两位小数)。

③用水蒸气电催化重整甲烷的装置如图。装置工作时,O^2-向_____(填“A"或“B’)极迁移;阳极发生的电极反应为___________。

(2)焦炭与水蒸气在恒容密闭容器中反应制合成气的主要反应( I )、(II )的lgKp(Kp为以分压表示的平衡常数)与T的关系如下图所示。

①反应(II)的∆H_____(填“大于”“等于”或“小于”)0。

②气体的总压强:a点_____ (填“大于”“等 于”或“小于”)b点,理由是_________。

③c点时,反应C(s) +CO₂(g)2CO(g)的Kp=_____ (填数值)。

④在恒容密闭容器中充入0. 5 mol CO、2 mol H₂O(g)只发生反应(II),图中d点处达到平衡时,CO的转化率为_______;达到平衡时,向容器中再充入0.5 mol CO、2 mol H₂O(g),重新达到平衡时,CO的平衡转化率_______(填“增大”“减小”或“不变”)。

Answer

−484 2.15 A CH4 + O2− − 2e－ = CO+2H2 小于 大于 容积一定，压强与气体的总物质的量、温度均成正比，a点的温度比b点的高，a点的气体的总物质的量比b点的大，故P(a)>P(b) 1 80% 不变

【解析】

(1)①将第二个方程式的2倍减去第一个方程式的2倍；②为了保持热平衡，同时用两种方式重整，不考虑热量损失，两者吸收和放出热量相等进行计算；③装置工作时，根据图中信息水变氢气，化合价降低得到电子，在电解池的阴极即B为阴极，根据电解池中异性相吸原则，阳极甲烷变为氢气和CO。

(2)①反应(II)升高温度，lgKp变小，即Kp变小，平衡逆向移动，逆向是吸热反应；②a点、b点容器一样大，压强与容器内气体的物质的量，温度成正比；③将反应I减去反应II得到C(s) +CO2(g)2CO(g)，因此C(s) +CO2(g)2CO(g)的平衡常数等于反应I的平衡常数除以反应II的平衡常数；④建立三段式并建立方程式计算d点CO的消耗量并计算转化率；用建模思想来分析又加入0.5 mol CO、2 mol H2O(g)达到平衡时转化率。

(1)①将第二个方程式的2倍减去第一个方程式的2倍，2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ∆H= 2×(−36)kJ·mol−1−(+206) kJ·mol−1 = −484 kJ·mol−1；故答案为：−484。

②为了保持热平衡，同时用两种方式重整，不考虑热量损失，两者吸收和放出热量相等进行计算，理论上得到的合成气中n(CO):n(H2)=(36+206):(3×36+2×206) = 1:2.15；故答案为：2.15。

③装置工作时，根据图中信息水变氢气，化合价降低得到电子，在电解池的阴极即B为阴极，根据电解池中异性相吸原则，O2−向阳极即A极迁移，阳极甲烷变为氢气和CO，其发生的电极反应为CH4 + O2− − 2e－ = CO+2H2；故答案为：A；CH4 + O2− − 2e－ = CO + 2H2。

(2)①反应(II)升高温度，lgKp变小，即Kp变小，平衡逆向移动，逆向是吸热反应，正向放热反应即∆H小于0；故答案为：小于。

②a点、b点容器一样大，压强与容器内气体的物质的量，温度成正比，a点温度比b点温度高，a点气体的总物质的量比b点气体的总物质的量多，因此气体的总压强：a点大于b点；故答案为：大于；容积一定，压强与气体的总物质的量、温度均成正比，a点的温度比b点的高，a点的气体的总物质的量比b点的大，故P(a)>P(b)。

③将反应I减去反应II得到C(s) +CO2(g)2CO(g)，因此C(s) +CO2(g)2CO(g)的平衡常数等于反应I的平衡常数除以反应II的平衡常数，由于c点时，两者的Kp相等，Kp=1；故答案为：1。

④在恒容密闭容器中充入0. 5 mol CO、2 mol H2O(g)只发生反应(II)，

图中d点处达到平衡时，设总压强为P0， ，解得x=0.4，因此CO的转化率；达到平衡时；向容器中再充入0.5 mol CO、2 mol H2O(g)，可以理解为取另一个容器充入0.5 mol CO、2 mol H2O(g)，达到平衡时转化率和原来一样，将两个容器压缩到一个容器中，平衡不移动，因此重新达到平衡时；CO的平衡转化率不变；故答案为：80%；不变。