Question

【题目】甲烷以天然气和可燃冰两种主要形式存在于地球上，储量巨大，充分利用甲烷对人类的未来发展具有重要意义。

（1）乙炔（CH≡CH）是重要的化工原料。工业上可用甲烷裂解法制取乙炔，反应为：2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）。甲烷裂解时还发生副反应： 2CH4(g）C2H4(g）+2H2(g）。甲烷裂解时，几种气体平衡时分压（Pa）的对数即lgP与温度（℃）之间的关系如图所示。

①1725℃时，向恒容密闭容器中充入CH4，达到平衡时CH4生成C2H2的平衡转化率为_______。

②1725℃时，若图中H2的lgP=5，则反应2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）的平衡常数Kp=_________（注：用平衡分压Pa代替平衡浓度mol/L进行计算）。

③根据图判断，2CH4(g）C2H2(g）+3H2(g）△H_____0（填“＞”或“＜”）。由图可知，甲烷裂解制乙炔过程中有副产物乙烯生成。为提高甲烷制乙炔的产率，除改变温度外，还可采取的措施有_______。

（2）工业上用甲烷和水蒸气在高温和催化剂存在的条件下制得合成气（CO、H2），发生反应为：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H＞0

图中a、b、c、d四条曲线中的两条代表压强分别为1MPa、2MPa时甲烷含量曲线，其中表示1MPa的是________（填字母）。在实际生产中采用图中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑实际生产，说明选择该反应条件的主要原因是__________。

（3）利用CH4、CO2在一定条件下重整的技术可得到富含CO的气体，在能源和环境上具有双重重大意义。重整过程中的催化转化原理如图所示:

已知： CH4(g)+ H2O(g) CO (g )+ 3H2(g) △H =+206.2 kJ/mol

CH4(g)+ 2H2O(g) CO2(g )+4H2(g) △H =+158.6 kJ/mol

则：

①过程II中第二步反应的化学方程式为__________。

②只有过程I投料比=______，过程II中催化剂组成才会保持不变。

③该技术总反应的热化学方程式为_______________。

Answer 1

【答案】 62.5% 1×1013 ＞ 充入适量乙烯或使用选择性更高的催化剂等 a 与2MPa的压强相比，1MPa条件下CH4的平衡转化率更高，对设备要求不高，有利于降低成本；虽然温度越高越有利于提高CH4的平衡转化率，但700℃时CH4的平衡转化率已经较高，再升高温度，平衡转化率变化不大；700℃时催化剂活性高，反应的速率快。 3Fe + 4CaCO3Fe3O4 + 4CaO + 4CO↑ (或分步写成CaCO3CaO + CO2↑，3Fe + 4CO2 Fe3O4+ 4CO) 1:3 CH4(g) + 3CO2(g) 2H2O(g) + 4CO(g) △H =+349kJ/mol

【解析】试题分析：由图可知，在1725℃，2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）达到平衡时，CH4、C2H2、C2H4的平衡分压的对数分别为2、2、1，故其CH4、C2H2、C2H4的平衡分压分别为100 Pa、100 Pa、10 Pa。CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H＞0，该反应为气体分子数增大的吸热反应，平衡时甲烷的含量随温度升高而减小、随压强增大而增大。

（1）①1725℃由图可知，达到平衡时，CH4、C2H2、C2H4的平衡分压的对数分别为2、2、1，故其CH4、C2H2、C2H4的平衡分压分别为100 Pa、100 Pa、10 Pa，在同温同体积条件下，不同气体的压强之比等于其物质的量之比，故CH4、C2H2、C2H4的物质的量之比为10:10:1，由C原子守恒可知，CH4生成C2H2的平衡转化率为62.5%。

②1725℃时，若图中H2的lgP=5，则反应2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）的平衡常数Kp=1×1013。

③根据图可知，C2H2的平衡分压随温度升高而增大，所以反应2CH4(g）C2H2(g）+3H2(g）为吸热反应，故其△H＞0。由图可知，甲烷裂解制乙炔过程中有副产物乙烯生成。为提高甲烷制乙炔的产率，除改变温度外，还可采取的措施有：充入适量乙烯使2CH4(g）C2H4(g）+2H2(g）的平衡向逆反应方向移动，或使用对甲烷转化为乙炔的选择性更高的催化剂等。

（2）CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) H＞0，该反应为气体分子数增大的吸热反应，平衡时甲烷的含量随温度升高而减小、随压强增大而增大，所以，图中a、b、c、d四条曲线中表示1MPa的是a。在实际生产中采用图中M点而不是N点对应的反应条件，类比工业上合成氨条件的选择可知，选择该反应条件的主要原因是：与2MPa的压强相比，1MPa条件下CH4的平衡转化率更高，对设备要求不高，有利于降低成本；虽然温度越高越有利于提高CH4的平衡转化率，但700℃时CH4的平衡转化率已经较高，再升高温度，平衡转化率变化不大；700℃时催化剂活性高，反应的速率快。

（3）①由题中重整过程的催化转化原理示意图可知，过程II中第一步反应是为了实现含氢物质与含碳物质的分离，故第一步反应为一氧化碳、二氧化碳、氢气与四氧化三铁和氧化钙反应生成铁和碳酸钙；过程II中第二步是为了得到富含CO的气体，反应的化学方程式为3Fe + 4CaCO3Fe3O4 + 4CaO + 4CO↑ (或分步写成CaCO3CaO + CO2↑，3Fe + 4CO2 Fe3O4+ 4CO)。

②由过程II中第二步反应的化学方程式为3Fe + 4CaCO3Fe3O4 + 4CaO + 4CO↑可知中，其第一反应反应为Fe3O4 + 4CaO+ 2CO(g) +2H2(g) +2CO2(g) 3Fe + 4CaCO3+ 2H2O(g)时，过程II中催化剂组成才会保持不变。由反应CH4+CO2(g) 2H2(g) +2CO(g)可知，当投料比=1:3时，过程I产生的气体的组成符合要求。

③已知：(a) CH4(g)+ H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H =+206.2 kJ/mol；(b)CH4(g)+ 2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) △H =+158.6 kJ/mol。根据盖斯定律，由(a) (b) 可得CH4(g) + 3CO2(g) 2H2O(g) + 4CO(g)，△H =(+206.2 kJ/mol) (+158.6 kJ/mol) =+349kJ/mol，所以，该技术总反应的热化学方程式为CH4(g) + 3CO2(g) 2H2O(g) + 4CO(g) △H =+349kJ/mol。