Question

和既是温室气体又是丰富的碳基资源。甲烷与二氧化碳重整反应是制合成气()的有效途径之一。合成气可用于二甲醚合成、羰基合成、费托合成等。因此，具有较好的市场前景。

(1)已知在、298K条件下，各物质燃烧热数据如下表：

物质(g)
燃烧热()	-890.0	-283.0	-285.0	0

则甲烷与二氧化碳重整反应制合成气的热化学方程式为：________________；

(2)在T℃时，向容积为2L的刚性容器中充入和。反应体系中的物质的量随时间变化关系如下表：

时间/min	0	20	50	60	100
	0.5	0.48	0.25	0.25	0.25

①20min时，________；当反应进行到60min时，________20min时的大小关系(填“＜”、“=”或“＞”)；反应进行到60min时，下列能够提高平衡时合成气产率的措施有：_______________________。

A．将反应时间延长至150min                          B．移除一部分合成气

C．适当提高反应升高温度                             D．改用高效催化剂

②反应进行到下列各图的p点时，能够说明该反应达到平衡状态的是：___________。

A.  B.  C.  D.

③已知：p(H₂)、p(CO)、p(CH₄)和p(CO₂)为各组分的平衡分压(气体分压p=气体总压p_总×体积分数)，p_总为平衡总压。若开始测得反应体系的压强为3.0Mpa，则合成气反应达到平衡状态时K_p=________。(结果保留一位小数)

(3)由于原料气的比较高，催化剂易结焦，特别是高温反应时积碳严重，影响了此过程大规模工业化的应用。某科研小组研究了Sr助剂对10%催化剂性能的影响如表1所示，请判断催化剂上Sr助剂的最佳质量含量为________(横坐标表示Sr助剂的质量含量)，判断的理由是________________(写出两点)

 

(4)如图所示，以为燃料气，高温电化学法制备合成气的发电系统中，在电场作用下，通过氧化物电解质中氧空位迁移到负极，与发生氧化还原反应。试用电极反应方程式表示负极发生反应的总过程：___________________________________。

Answer

＜ BC C 3% 其一，Sr助剂应使得原料气的转化率尽可能大；其二，催化剂表面积碳的质量含量尽可能低，结合这两点，最佳的质量含量应该为3%

【解析】

根据已知条件，利用燃烧热的相关热化学方程式和盖斯定律可计算出制合成气的反应热。利用已知数据可以求出二氧化碳的速率，根据氢气与二氧化碳的计量数之比计算出氢气的化学反应速率。反应进行到60min时，已经达到平衡状态，此时，而20min时，反应还在正向进行，判断出60min时，和20min时的大小关系。提高产率，即找到使平衡正向移动的措施。根据平衡状态的判断依据进行判断。根据压强之比等于物质的量之比和“三段式”进行计算。从Sr助剂应和催化剂表面积碳的质量进行分析。负极发生失电子的氧化反应，根据元素守恒和化合价的变化写出电极反应。

(1)根据已知条件，利用燃烧热的相关热化学方程式；

①；

②；

③；

盖斯定律，①-2(②+③)可计算出制合成气的反应热：，故热化学方程式为： ；

(2) ①，,反应进行到60min时，已经达到平衡状态，此时，而20min时，反应还在正向进行，，故60min时小于20min时；

A.由于反应已经进入平衡状态，再延长反应时间不能提高反应的限度，转化率不变,不改变化学平衡，故无法提高合成气产率，故A不符合题意；

B.移除一部分合成气降低了生成物浓度，平衡正向移动，可以提高合成气产率，故B符合题意；

C.适当提高反应升高温度，由于该反应吸热，化学平衡将向正反应方向进行，可以提高产率，故C符合题意；

D.改用高效催化剂不影响化学平衡移动，转化率不变，产率也不变；故D不符合题意；

答案为BC；

②A．假设转化了x，则根据关系式，也转化了x。则有：；，二者的转化学率比值等于2为一定值，所以p点不能说明反应达到平衡状态，故A错误；

B．反应热与化学平衡与否无关，故B错误；

C．的体积分数不随时间变化，而且p点正好落在直线上，说明反应已经达到平衡，故C正确；

D．图中给出了两种不同的催化剂载体对CO产率的影响。载体不同，催化剂体系就不同。不同的催化剂在给定的反应条件下不影响产物的产率。Ni基载体的催化效果优于，能够提高CO的产率，说明此时的p点一定不是平衡状态，故D错误；

答案选C；

③根据三段式，可求平衡时各物种的物质的量如下：

则，，，根据，同温度同体积，压强之比等于物质的量之比。反应开始，；平衡时的，则，，，，则；

(3)根据图表出示的数据，该工艺的副反应是甲烷的热裂解，产生积碳附着在催化剂表面。Sr助剂的最佳质量含量应该能起到两点作用，其一，使得原料气的转化率尽可能大；其二，催化剂表面积碳的质量含量尽可能低，结合这两点，最佳的质量含量应该为3%；

(4)根据题目的要求，甲烷失去电子，一部分给了，一部分直接在电极上转移电子给H元素，转化为，在负极直接产生合成气CO和，电极反应为：。