Question

甲烷水蒸气的重整反应是工业制备氢气的重要方式，其化学反应方程式为CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)。回答下列问题：

（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

则甲烷水蒸气重整反应的ΔH=_____kJ·mol^-1。

（2）通过计算机模拟实验，对400～1200℃、操作压强为0.1MPa条件下，不同水碳比（1～10）进行了热力学计算，反应平衡体系中H₂的物质的量分数与水碳比、平衡温度的关系如图所示。

①温度一定时，H₂的物质的量分数与水碳比（1～10）的关系是_____，产生该结论的原因是_____。

②据模拟实验可知，平衡温度为900℃，水碳比为1.0时，H₂的物质的量分数为0.6，CH₄的转化率为_____，其压强平衡常数为_____；反应速率方程为v=kp(CH₄)p^-1(H₂)，此时反应速率v=_____。

（已知：气体分压=气体的物质的量分数×总压，速率方程中k为速率常数）。

（3）厌氧细菌可将葡萄糖转化为CH₄和H₂，pH为5.5时不同热预处理温度和时间下的甲烷和氢气的产率如图所示，若要提高H₂的产率，最佳温度为_____。

Answer

+206.3 水碳比越大，H2的物质的量分数越大 水碳比较大时，CO会与H2O进一步反应生成H2，使H2的物质量分数增大 66.7% 4.32×10-2(Mpa)2 80℃

【解析】

(1)①＋④−2×②−2×③即得甲烷水蒸气的重整反应方程式，用盖斯定律求甲烷水蒸气重整反应的△H；

(2)①H2的物质的量分数与水碳比(1～10)的关系由图知；原因从生成氢气的反应角度来回答；

②平衡温度为900℃，水碳比为1.0时，H2的物质的量分数为0.6，列三段式求解CH4的转化率、压强平衡常数；根据压强与气体物质的量成正比，结合三段式计算；

(3)厌氧细菌可将葡萄糖转化为CH4和H2，提高H2的产率的最佳温度，由图可知。

(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

根据盖斯定律，①＋④−2×②−2×③即得甲烷水蒸气的重整反应方程式为CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)＋3H2(g)，则甲烷水蒸气的重整反应△H＝△H1＋△H4−2△H2−2△H3＝（−890.3−41＋2×283.0＋2×285.8）kJ⋅mol−1＝＋206.3 kJ⋅mol−1；

(2)①平衡温度一定时，H2的物质的量分数与水碳比(1～10)的关系，由图中曲线走势可知，水碳比越大，H2的物质的量分数越大的原因，从生成氢气的反应可知，除了甲烷水蒸气的重整反应生成氢气外，一氧化碳和水也会反应产生氢气；

②操作压强为0.1MPa、平衡温度为900℃条件下，水碳比为1.0时，H2的物质的量分数为0.6，设甲烷和H2O的物质的量均为3mol，达化学平衡时，甲烷消耗xmol，则：

H2的物质的量分数＝＝＝0.6，解得x＝2mol，转化率α(CH4)＝×100%＝×100%＝66.67%，平衡常数K＝＝(Mpa)2＝4.32×10-2(Mpa)2；反应速率v=kp(CH4)p-1(H2)＝k＝k＝k×＝；

(3)厌氧细菌可将葡萄糖转化为CH4和H2，由图可知，pH为5.5时，若要提高H2的产率，降低甲烷产率，最佳温度为80℃。