Question

甲烷水蒸气重整和水气变换是传统的制氢方法，反应如下 ：

①CH₄(g)+H₂O(g)⇌CO(g)+3H₂ (g)  △H₁= 206kJ•mol^-1

②CO(g)+H₂O(g)⇌CO₂(g)+H₂(g)  △H₂= - 4 1 kJ•mol^-1

近期报道，用二氧化碳作为氧化剂和甲烷重整制氢的新反应路线如下，可生成适宜 H₂/ CO 的合成气。

③CH₄ (g)+CO₂ (g)⇌2CO(g)+2H₂(g)   △H₃

(1)下列措施最有利于提高反应③CH₄的平衡转化率条件是______________。

A. 升高温度，同时对原料气进行加压     B. 降低温度，同时对原料气进行加压

C. 升高温度，同时用氩气稀释原料气     D. 降低温度，同时用氩气稀释原料气

(2)重整反应器中以上三个反应都在发生，不同反应条件下达到平衡时的进程如下：

I.根据图1，在_________ ( 填写反应条件）时CO₂的转化率为负值，主要原因：一是 CO₂稳定性较高，低浓度时难以和甲烷反应；二是 ___________。

II.根据图，2随着反应温度和反应物中的提高，体系中反应____填①、②、③）逐渐占据主导。若 850℃、为0.5时重整反应器中达到平衡时，体系中CO₂和水蒸气浓度相等，求此条件下反应②的平衡常数K=__。

(3)固体氧化物电解池(传导O^2-)将CO₂ 和H₂O  转化为n(H₂):n(CO)=1的合成气并联产高纯度O₂，写出电解池阴极反应式__________________。

Answer

C Ⅰ．反应温度低于 800℃、二氧化碳水蒸气摩尔比等于 0.2 相对较多的 H2O(g)以及较低的温度，使反应②平衡正向移动，反应③平衡逆向移动，CO2浓度上升 ③ 2 CO2＋H2O＋4e-＝CO＋H2＋2O2-

【解析】

(1)根据盖斯定律判断反应③是吸热还是放热反应，提高CH4的平衡转化率，平衡正向移动，据此分析；

(2)I．结合图像1曲线的位置分析CO2的转化率为负值的条件；根据比值中，二氧化碳和水蒸气的所占比例对平衡移动的影响分析；

II．在不变的条件下，升高温度比值减小，反应②为放热反应，升高温度，平衡逆向移动；结合图像数据对应点数据，求解反应②平衡常数K；

(3)根据题意，该电解池的总反应为CO2+H2OH2+CO+O2，电解池中阳极失电子被氧化，阴极得电子被还原。

(1)已知：①CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2 (g) △H1= 206kJ•mol-1

②CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g) △H2= - 41 kJ•mol-1

根据盖斯定律，①-②=③，则③CH4 (g)+ CO2 (g) ⇌2CO(g)+ 2H2(g) △H3=△H1-△H2=247 kJ•mol-1，故反应③是吸热反应，且正反应方向是气体体积增大的反应体系，要提高CH4的平衡转化率，则平衡需要正向移动，方法为升高温度，同时用氩气稀释原料气，答案选C；

(2)I．结合图像1曲线的位置分析CO2的转化率为负值的条件为：反应温度低于 800℃、 =0.2；=0.2，说明水蒸气的含量大，相对较多的 H2O(g)以及较低的温度，使反应②平衡正向移动，反应③平衡逆向移动，CO2浓度上升；

II．在不变的条件下，三个反应中，反应②为放热反应，升高温度，平衡逆向移动，氢气的量减少，一氧化碳的量增大，升高温度比值减小，升高温度反应①③正向移动，由于图像走向，比值趋向于1，故起主导的为反应③；

若850℃、为 0. 5 时，，重整反应器中达到平衡时，体系中 CO2和水蒸气浓度相等，此时曲线上=2，即=2，反应CO(g)+ H2O(g)⇌CO2(g) +H2(g) 的平衡常数K==2；

(3)根据题意，该电解池的总反应为CO2+H2OH2+CO+O2，电解池中阳极失电子被氧化，阴极得电子被还原，固体氧化物电解池(传导O2-)，阳极：2O2—4e-=O2，总反应减去阳极反应可得阴极反应为：CO2＋H2O＋4e-＝CO＋H2＋2O2-。