Question

甲烷催化裂解、氧气部分氧化和水煤气重整是目前制氢的常用方法。回答下列问题：

(1)甲烷隔绝空气分解，部分反应如下：

Ⅰ.CH₄(g)=C(s)+2H₂(g)  ∆H₁=+74.9kJ/mol

Ⅱ.6CH₄(g)=C₆H₆(g)+9H₂(g)  ∆H₂=+531kJ/mol

Ⅲ.2CH₄(g)=C₂H₄(g)+2H₂(g)  ∆H₃=+202kJ/mol

①反应I的△S___(填“＞”或“＜”)0。

②的 △H=______kJ/mol。

(2)CH₄用水蒸气重整制氢包含的反应为：

Ⅰ.水蒸气重整：

Ⅱ.水煤气变换：

平衡时各物质的物质的量分数如图所示：

①为提高CH₄的平衡转化率，除压强、温度外，还可采取的措施是___________(写一条)。

②温度高于T₁℃时，CO₂的物质的量分数开始减小，其原因是___________。

③T₂℃时，容器中______________。

(3)甲烷部分氧化反应为。已知甲烷部分氧化、甲烷水蒸气重整、水煤气变换反应的平衡常数的自然对数lnKp与温度的关系如图所示：

①图中Q点时，反应的InKp=________。

②在某恒压密闭容器中充入lmol CH₄和1mol H₂O(g)在某温度下发生水蒸气重整反应达到平衡时，CH₄的转化率为50%，容器总压强为1 atm。H₂的平衡分压p(H₂)=____atm；此温度下反应的lnKp=___(已知；ln3≈l.1，ln4≈l.4)。

Answer

＞ +75 增大起始时(或及时从产物中分离出氢气) 反应Ⅱ为放热反应，从T1℃升高温度，平衡向逆反应方向移动的因素大于CO浓度增大向正反应方向移动的因素，净结果是平衡逆向移动 7(或7:1) 0 0.5 -0.3

【解析】

(1)①气体体积增大的过程为熵增的过程，熵增过程△S大于0，反之小于0，反应I为CH4(g)=C(s)+2H2(g)，气体物质的量增大，混乱度增大，属于熵增的过程，△S＞0；

②已知：Ⅱ.6CH4(g)=C6H6(g)+9H2(g) ∆H2=+531kJ/mol

Ⅲ.2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g) ∆H3=+202kJ/mol

根据盖斯定律，Ⅲ×3-Ⅱ可得：C6H6(g)+3H2(g)=3C2H4(g) △H=(+202kJ/mol)×3-(+531kJ/mol)=+75 kJ/mol；

(2)①为提高CH4的平衡转化率，即要让反应向正向进行，除压强、温度外，还可将生成的氢气从产物中分离出去，或增大起始时的；

②反应Ⅰ是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，CO的浓度增大，反应Ⅱ为放热反应，升高温度，反应逆向进行，CO2的量减少，出现如图所示CO2的物质的量分数开始减小，说明T1℃升高温度，平衡向逆向移动的因素大于CO浓度增大向正向移动的因素，结果是平衡逆向移动；

③根据图像，T2℃时，容器中一氧化碳和二氧化碳的物质的量分数相等，设T2℃时，二氧化碳的物质的量为x，列三段式：

根据上述分析，T2℃时，n(H2)=6x+x=7x，n(CO2)=x，则=7；

(3)①图中Q点时，甲烷水蒸气重整、水煤气变换反应的平衡常数的自然对数lnKp相等，即压强平衡常数相等，则，可得=1；则反应的压强平衡常数Kp==1，则lnKp=ln1=0；

②在某恒压密闭容器中充入lmol CH4和1mol H2O(g)在某温度下发生水蒸气重整反应达到平衡时，CH4的转化率为50%，容器总压强为1atm。根据反应，则平衡时n(CH4)=lmol-lmol×50%=0.5mol，n(H2O)= lmol -lmol×50%=0.5mol，n(CO)=0.5mol，n(H2)=3×0.5mol=1.5mol，根据分压=总压×物质的量分数，则H2的平衡分压p(H2)=×1atm=0.5 atm，用压强表示该反应的平衡常数Kp==，则lnKp=ln= ln3- ln4=1.1-1.4=-0.3。