Question

某项目小组为解决新型燃料电池的氢源，开展了柴油自热重整制氢项目研究．他们将柴油模拟成C₁₀H₂₁，并用3个独立反应描述柴油自热重整制氢反应过程：
（i）2C₁₀H₂₁（g）+20H₂O（g）═20CO（g）+41H₂（g）△H=+500kJ?moL^-1
（ii）2C₁₀H_2l（g）+10O₂（g）═20CO（g）+21H₂（g）△H=-200kJ?moL^-1
（iii）CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=+50kJ?moL^-1
请你参与项目小组的研究，并回答下列问题．
（1）热化学研究
①若要使该反应体系中的（i）和（ii）两反应热量达到平衡，反应时加入的柴油、水和氧气的物质的量比为

 

．
②若起始时，柴油、水和氧气的物质的量比为2：30：5，反应产物只有二氧化碳和氢气，则上述反应的总反应的热化学方程式为

 

．
（2）热力学研究
一定温度下，反应（iii）的平衡常数为1．若在该温度下，密闭容器中CO、H₂O、CO₂和H₂的起始浓度分别为1mol?L^-1、4mol?L^-1、3mol?L^-1、2mol?L^-1，则反应开始时，此反应将向

 

（填“正”或“逆”）反应方向移动，以达到平衡状态．
（3）反应条件的实验研究
①为寻找上述反应的催化剂合适温度，进行了如下研究：将同物质的量比的柴油、水、氧气分别等量通人催化剂中，测得催化剂床层人口温度与反应生成混合气中氢气的体积分数的关系如图1．据此选择该反应较适宜的温度应为

 

，理由是

 

．

②实验中，项目小组得到如图2的实验结果，图中氧碳摩尔比是指通人的氧气中氧元素和柴油中碳元素的物质的量比．则此实验的目的是

 

．
③为比较图3和图4两种反应器的制氢效益，请设计一个实验方案（要求简单叙述实验方法和所需测定的数据）．答：

 

．

Answer 1

分析：（1）①反应达到平衡的实质是反应i和反应ii焓变数值相同，依据（i）×2=（ii）×5计算得到柴油、水和氧气的物质的量比；
②设物质的量C₁₀H_2l=2X，H₂O=30X，O₂=5X，前两个反应方程式各产生CO₂ 和H₂物质的量多少，然后第三反应方程式消耗CO₂物质的量多少，最后按原子守恒得到热化学方程式；
（2）依据反应的浓度商和平衡常数大小进行比较分析判断反应进行方向，Q_C＜K，反应正向进行，Q_C＞K，反应逆向进行；
（3）①650℃氢气的体积分数较大，温度升高对生成氢气含量的增加较少； 该温度下，制氢效益较好，再提高温度制氢效益增加有限，且能量消耗大；
②研究氧碳摩尔比与制氢效率的关系；或研究制氢效益最高的氧碳摩尔比；
③在催化剂床层温度相同时，将同物质的量比的柴油、水、氧气分别等量通入A、B两种反应器中，测量反应产物气体中氢气的体积分数

解答：解：（1）①（i）2C₁₀H₂₁（g）+20H₂O（g）═20CO（g）+41H₂（g）△H=+500kJ?moL^-1
（ii）2C₁₀H_2l（g）+10O₂（g）═20CO（g）+21H₂（g）△H=-200kJ?moL^-1
反应达到平衡，吸热反应和放热反应能量变化相同，则依据（i）×2=（ii）×5得到：
14C₁₀H₂₁（g）+40H₂O（g）+50O₂（g）═140CO（g）+187H₂（g）△H=0，反应达到平衡；
则柴油、水和氧气的物质的量比=14：40：50=7：20：25；
故答案为：7：20：25；
②设物质的量C₁₀H_2l=2X，H₂O=30X，O₂=5X，前两个反应方程式各产生CO₂ 和H₂物质的量多少，然后第三反应方程式消耗CO₂物质的量多少，计算得到热化学方程式为：2C₁₀H_2l（g）+30H₂O（g）+5O₂（g）═20CO₂（g）+5l H₂（g）△H=+1150kJ?mol^-1；
故答案为：2C₁₀H_2l（g）+30H₂O（g）+5O₂（g）═20CO₂（g）+5l H₂（g）△H=+1150kJ?mol^-1；
（2）一定温度下，反应（iii）的平衡常数为1，（iii）CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=+50kJ?moL^-1
若在该温度下，密闭容器中CO、H₂O、CO₂和H₂的起始浓度分别为1mol?L^-1、4mol?L^-1、3mol?L^-1、2mol?L^-1，浓度商Qc=

3×2

1×4

=1.5＞K，则反应开始时向逆向进行；
故答案为：逆；
（3）①分析图中曲线的变化分析，650℃时氢气的体积分数较大，温度升高对生成氢气含量的增加较少，所以该温度下，制氢效益较好，再提高温度制氢效益增加有限，且能量消耗大；
故答案为：650℃；该温度下，制氢效益较好，再提高温度制氢效益增加有限，且能量消耗大；
②图2分析曲线变化，横轴和纵轴的意义可知，是研究氧碳摩尔比与制氢效率的关系；或研究制氢效益最高的氧碳摩尔比；
故答案为：研究氧碳摩尔比与制氢效率的关系；或研究制氢效益最高的氧碳摩尔比；
③为比较图3和图4两种反应器的制氢效益，需要在相同条件下进行比较，测定生成氢气的体积来比较制氢气的效益，方案设计为：在催化剂床层温度相同时，将同物质的量比的柴油、水、氧气分别等量通入A、B两种反应器中，测量反应产物气体中氢气的体积分数；
故答案为：在催化剂床层温度相同时，将同物质的量比的柴油、水、氧气分别等量通入A、B两种反应器中，测量反应产物气体中氢气的体积分数；

点评：本题考查了热化学方程式书写、盖斯定律的应用、Q-K关系对化学平衡移动的影响、实验设计，要求考生注意对反应条件的控制，同时考查学生节能的意识，掌握基础，培养阅读能力的提高和理解是解题关键，题目难度中等．