Question

氨和甲烷等原料在工业生产中发挥着重要的作用。

Ⅰ．我国科学家以MoS₂ 为催化剂，通过调节催化剂/电解质的表界面相互作用，在不同电解质溶液中实现常温电催化合成氨，其反应历程与相对能量模拟计算结果如图所示。

(1)将Na₂SO₄ 溶液换成Li₂SO₄ 溶液后，反应速率明显加快的主要原因是加快了下列____________转化的反应速率(填标号)。

A．N₂→*N₂    B．*N₂→*N₂H    C．*N₂H₃→*N    D．*NH→*NH₂

Ⅱ. 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：

(2)已知：CH₄(g)+2O₂(g)= CO₂(g)+ 2H₂O(l)  ΔH₁=akJ·mol^—1，

2CO(g)+O₂(g)= 2CO₂(g)  ΔH₂=b kJ·mol^—1，

2H₂(g) +O₂(g)=2 H₂O (l)  ΔH₃=c kJ·mol^—1

CO(g)+ H₂O(g)= CO₂(g)+ H₂ (g)  ΔH₄=d kJ·mol^—1

则甲烷水蒸气重整反应的ΔH=____________kJ·mol^—1（用字母a、b、c、d表示）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物质的量分数与水碳比、平衡温度的关系如图所示：

①结合如图回答：当平衡温度一定时，H₂的物质的量分数与水碳比（1~10）的关系是________，其原因是_____________。

②若密闭容器中仅发生CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)，平衡温度为750℃，水碳比为1.0时，H₂的物质的量分数0.5，甲烷的转化率为___________，其压强平衡常数K_p为________；用气体分压表示反应速率方程为v=k p(CH₄)·p^—1(H₂)，则此时反应速率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）。

Ⅲ.利用天然气合成氨，并生产尿素的流程如下：

(3)“电化学转化与分离”装置如图，混合气中CO转化成CO₂的电极反应式为______。

Answer

B (a+d-b-c) 水碳水比大时，H2的物质的量分数越大 水碳水比较大时，CO会与H2O进一步反应生成H2，使H2的物质的量分数增大 50.0% 7.5×10-3(MPa) CO-2e-+H2O=CO2+2H+

【解析】

(1)由图可知，需要吸收的能量最高，是该反应过程中的决定反应速率的步骤，将Na2SO4 溶液换成Li2SO4 溶液后，需要的能量降低，反应速率加快，故选B；

(2)设CH4(g)+2O2(g)= CO2(g)+ 2H2O(l) ΔH1=akJ·mol—1，为反应①；

2CO(g)+O2(g)= 2CO2(g) ΔH2=b kJ·mol—1，为反应②；

2H2(g) +O2(g)=2 H2O (l) ΔH3=c kJ·mol—1，为反应③；

CO(g)+ H2O(g)= CO2(g)+ H2 (g) ΔH4=d kJ·mol—1为反应④；

根据盖斯定律，反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)可由①+④-②-③得到，故该反应的ΔH= (a+d-b-c) kJ·mol—1；

①根据曲线走势可知，水碳比越大，H2的物质的量分数越大；根据题(2)中的反应可知，当水碳比较大时，甲烷水解重整反应体系中会存在CO与H2O的反应CO(g)+ H2O(g)= CO2(g)+ H2 (g)，会使H2的物质的量分数增大；

②由于水碳比为1.0，设开始加入的CH4和H2O的物质的量都为，转化的物质的量为。

，解得=0.5mol，故CH4的转化率为；

反应后的总物质的量为3mol，所以CH4、H2O、CO、H2的分压分别为：、、、，；

用气体分压表示反应速率方程为v=k p(CH4)·p—1(H2)== ；

(3)CO转化成CO2时CO失电子，电极反应为：CO-2e-+H2O=CO2+2H+。