Question

【题目】我国自主研发的“蓝鲸一号”在中国南海神狐海域完成可燃冰连续试采，并得到中共中央国务院公开致电祝贺。“可燃冰”是天然气水合物，外形像冰，在常温常压下迅速分解释放出甲烷，被称为未来新能源。

（1）“可燃冰”作为能源的优点是_______________________________(回答一条即可)。

（2）甲烷自热重整是一种先进的制氢方法,包含甲烷氧化和蒸汽重整两个过程。向反应系统同时通入甲烷、氧气和水蒸气,发生的主要化学反应如下:

反应过程	化学方程式	焓变△H(kJ.mol-l)	活化能E.(kJ.mol-1)
甲烷氧化	CH4(g)+O2(g)CO(g)+2H2O(g)	-802.6	125.6
	CH4(g)+O2(g)CO2(g)+2H2(g)	-322.0	172.5
蒸气重整	CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)	+206.2	240.1
	CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)	+158. 6	243.9

回答下列问题:

①在初始阶段，甲烷蒸汽重整的反应速率______(填“大于”“小于”或“等于”)甲烷氧化的反应速率。

②反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)的平衡转化率与温度、压强关系[其中n(CH4)：n(H2O)=1:1]如图所示。

该反应在图中A点的平衡常数Kp=________(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)，图中压强(p1、p2、p3、p4)由大到小的顺序为___________。

③从能量角度分析，甲烷自热重整方法的先进之处在于___________。

（3）甲烷超干重整CO2技术可得到富含CO的气体，其能源和环境上的双重意义重大，甲烷超干重整CO2的催化转化原理如图所示。

①过程II中第二步反应的化学方程式为_________。

②过程II的催化剂是______，只有过程I投料比_______，催化剂组成才会保持不变。

Answer 1

【答案】能量密度高、清洁、污染小、储量大 小于 3/16(Mpa)2或0.1875( Mpa)2 p1>p2>p3>p4 甲烷氧化反应放出热量正好用于蒸汽重整反应所吸收自热量，达到能量平衡 3Fe+4CaCO3Fe3O4+4CaO+4CO↑ Fe3O4、CaO 1/3

【解析】

（1）“可燃冰”是一种白色固体，有极强的燃烧力。

（2）①从表中活化能数据看出在初始阶段，甲烷蒸汽重整反应活化能较大，而甲烷氧化的反应活化能均较小，所以甲烷氧化的反应速率快。

②假设甲烷有1mol，水蒸气有1mol，

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

起始量 1 1 0 0

变化量 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡量 0.8 0.8 0.2 0.6

根据三段式进行分析解答即可。

③甲烷氧化反应放出热量正好提供给甲烷蒸汽重整反应所吸收热量，能量达到充分利用。

（3）①.根据图示分析，第一步反应是还原剂把四氧化三铁还原为铁，第二步反应是铁被碳酸钙氧化为四氧化三铁，本身被还原为一氧化碳。

②.反应的历程：①CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)；②4H2(g)+ Fe3O4(s) 3Fe(s)+4 H2O(g)；③Fe3O4(s)+4CO(g) 3Fe(s)+ 4CO2(g)；三个反应消去Fe3O4和Fe，最终得到CH4(g)+3CO2(g) 2H2O(g)+ 4CO(g)；只有过程I投料比，催化剂组成才会保持不变。

（1）“可燃冰”是一种白色固体，有极强的燃烧力，优点是：能量密度高、清洁、污染小、储量大；故答案为：能量密度高、清洁、污染小、储量大。

（2）①从表中活化能数据看出在初始阶段，甲烷蒸汽重整反应活化能较大，而甲烷氧化的反应活化能均较小，所以甲烷氧化的反应速率快，故答案为：小于。

②假设甲烷有1mol，水蒸气有1mol，

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

起始量 1 1 0 0

变化量 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡量 0.8 0.8 0.2 0.6

平衡后混合气体的总量：0.8 + 0.8 + 0.2 + 0.6=2.4mol，p(CH4)= p(H2O)=4/3，p(CO)=1/3，p(H2)=1，A点的平衡常数Kp=13×1/3÷(4/3)2=3/16(Mpa)2,根据图像分析，温度不变时，压强减小，平衡左移，甲烷的转化率增大，压强(p1、p2、p3、p4)由大到小的顺序为：p1>p2>p3>p4，故答案为：3/16(Mpa)2或0.1875( Mpa)2 ；p1>p2>p3>p4 。

③甲烷氧化反应放出热量正好提供给甲烷蒸汽重整反应所吸收热量，能量达到充分利用，故答案为：甲烷氧化反应放出热量正好用于蒸汽重整反应所吸收自热量，达到能量平衡。

（3）①.根据图示分析，第一步反应是还原剂把四氧化三铁还原为铁，第二步反应是铁被碳酸钙氧化为四氧化三铁，本身被还原为一氧化碳，故答案为：3Fe+4CaCO3Fe3O4+4CaO+4CO↑。

②.过程II的催化剂是：Fe3O4、CaO；反应的历程：①CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)；②4H2(g)+ Fe3O4(s) 3Fe(s)+4 H2O(g)；③Fe3O4(s)+4CO(g) 3Fe(s)+ 4CO2(g)；三个反应消去Fe3O4和Fe，最终得到CH4(g)+3CO2(g) 2H2O(g)+ 4CO(g)；只有过程I投料比，催化剂组成才会保持不变。故答案为：Fe3O4、CaO ；1/3。