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【题目】合成气用途非常广泛,可以煤、天然气等为原料生产。回答下列问题:

(1)H2O(g)O2重整CH4制合成气的热化学方程式如下:

(水蒸气重整)CH4(g)+ H2O(g)=CO(g)+3H2(g) H=+ 206 kJ●mol -1

(氧气重整)CH4(g)+0.5O2(g)=CO(g)+2H2(g) H=-36 kJ●mol-1

2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) H=_______kJ●mol-1

②为了保持热平衡,同时用两种方式重整,不考虑热量损失,理论上得到的合成气中n(CO): n(H2)=1 :____(保留两位小数)

③用水蒸气电催化重整甲烷的装置如图。装置工作时,O2-_____(“A"“B’)极迁移;阳极发生的电极反应为___________

(2)焦炭与水蒸气在恒容密闭容器中反应制合成气的主要反应( I )(II )lgKp(Kp为以分压表示的平衡常数)T的关系如下图所示。

①反应(II)H_____(大于”“等于小于”)0

②气体的总压强:a_____ (大于”“ 小于”)b,理由是_________

c点时,反应C(s) +CO2(g)2CO(g)Kp=_____ (填数值)

④在恒容密闭容器中充入0. 5 mol CO2 mol H2O(g)只发生反应(II),图中d点处达到平衡时,CO的转化率为_______;达到平衡时,向容器中再充入0.5 mol CO2 mol H2O(g),重新达到平衡时,CO的平衡转化率_______(增大”“减小不变”)

【答案】484 2.15 A CH4 + O2 2e = CO+2H2 小于 大于 容积一定,压强与气体的总物质的量、温度均成正比,a点的温度比b点的高,a点的气体的总物质的量比b点的大,故P(a)>P(b) 1 80% 不变

【解析】

(1)①将第二个方程式的2倍减去第一个方程式的2倍;为了保持热平衡,同时用两种方式重整,不考虑热量损失,两者吸收和放出热量相等进行计算;装置工作时,根据图中信息水变氢气,化合价降低得到电子,在电解池的阴极即B为阴极,根据电解池中异性相吸原则,阳极甲烷变为氢气和CO

(2)①反应(II)升高温度,lgKp变小,即Kp变小,平衡逆向移动,逆向是吸热反应;②a点、b点容器一样大,压强与容器内气体的物质的量,温度成正比;将反应I减去反应II得到C(s) +CO2(g)2CO(g),因此C(s) +CO2(g)2CO(g)的平衡常数等于反应I的平衡常数除以反应II的平衡常数;建立三段式并建立方程式计算dCO的消耗量并计算转化率;用建模思想来分析又加入0.5 mol CO2 mol H2O(g)达到平衡时转化率。

(1)①将第二个方程式的2倍减去第一个方程式的2倍,2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) H= 2×(36)kJ·mol1(+206) kJ·mol1 = 484 kJ·mol1;故答案为:484

为了保持热平衡,同时用两种方式重整,不考虑热量损失,两者吸收和放出热量相等进行计算,理论上得到的合成气中n(CO):n(H2)=(36+206):(3×36+2×206) = 1:2.15;故答案为:2.15

装置工作时,根据图中信息水变氢气,化合价降低得到电子,在电解池的阴极即B为阴极,根据电解池中异性相吸原则,O2向阳极即A极迁移,阳极甲烷变为氢气和CO,其发生的电极反应为CH4 + O2 2e = CO+2H2;故答案为:ACH4 + O2 2e = CO + 2H2

(2)①反应(II)升高温度,lgKp变小,即Kp变小,平衡逆向移动,逆向是吸热反应,正向放热反应即H小于0;故答案为:小于。

②a点、b点容器一样大,压强与容器内气体的物质的量,温度成正比,a点温度比b点温度高,a点气体的总物质的量比b点气体的总物质的量多,因此气体的总压强:a点大于b点;故答案为:大于;容积一定,压强与气体的总物质的量、温度均成正比,a点的温度比b点的高,a点的气体的总物质的量比b点的大,故P(a)>P(b)

将反应I减去反应II得到C(s) +CO2(g)2CO(g),因此C(s) +CO2(g)2CO(g)的平衡常数等于反应I的平衡常数除以反应II的平衡常数,由于c点时,两者的Kp相等,Kp=1;故答案为:1

在恒容密闭容器中充入0. 5 mol CO2 mol H2O(g)只发生反应(II)

图中d点处达到平衡时,设总压强为P0 ,解得x=0.4,因此CO的转化率;达到平衡时;向容器中再充入0.5 mol CO2 mol H2O(g),可以理解为取另一个容器充入0.5 mol CO2 mol H2O(g),达到平衡时转化率和原来一样,将两个容器压缩到一个容器中,平衡不移动,因此重新达到平衡时;CO的平衡转化率不变;故答案为:80%;不变。

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