Question

【题目】氢能是一种极具发展潜力的清洁能源，CH4—H2O催化重整是目前大规模制取氢气的重要方法。

(1)CH4－H2O催化重整：

反应Ⅰ：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol

反应Ⅱ: CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g) H2 =﹣41kJ/mol

①提高CH4平衡转化率的条件是________。

a．增大压强 b．加入催化剂 c．增大水蒸气浓度

②CH4、H2O催化重整生成CO2、H2的热化学方程式是________。

③在密闭容器中，将2.0 mol CO与8.0 mol H2O混合加热到800℃发生反应Ⅱ，达到平衡时CO的转化率是80%，其平衡常数为 _________。

(2)实验发现，其他条件不变，相同时间内，向催化重整体系中投入一定量的CaO可以明显提高H2的百分含量。做对比实验，结果如下图所示：

①投入CaO时，H2百分含量增大的原因是：_________。

②投入纳米CaO时，H2百分含量增大的原因是：__________。

(3)反应中催化剂活性会因积炭反应而降低，相关数据如下表：

反应	Ⅰ	Ⅱ
H(kJ/mol)	+75	﹣173

①研究发现，如果反应Ⅰ不发生积炭过程，则反应Ⅱ也不会发生积炭过程。因此，若保持催化剂的活性，应采取的条件是_________。

②如果Ⅰ、Ⅱ均发生了积炭反应，通入过量水蒸气能有效清除积炭，反应的化学方程式是_________。

Answer 1

【答案】c CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H =+169kJ/mol 1 CaO可吸收CO2，c(CO2)减小，使生成H2的反应正向移动，H2百分含量增大 纳米CaO颗粒小，表面积大，使反应速率加快 降低温度、增大压强 C+H2O=CO+H2

【解析】

(1)①提高物质的转化率就是使平衡正向移动，可以分析该反应的正反应的特点再根据平衡移动原理进行判断；

②根据盖斯定律，将方程式叠加，反应热也相加，得到重整后的热化学方程式；

③对于反应前后气体体积不变的反应，物质平衡时生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比等于它们的物质的量乘积的比；

(2)从生成物、反应物的酸碱性及固体表面积大小对物质浓度及化学平衡移动的影响分析；

(3)根据甲烷分解反应的特点分析判断；根据炭与水蒸气反应产物状态分析解答。

(1)①由反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) H1 = +210kJ/mol可知：若要使CH4的转化率提高就要使化学平衡正向移动；a．该反应的正反应是气体体积增大的反应，增大压强平衡逆向移动，甲烷的转化率降低，a错误；b．加入催化剂能够同等倍数的改变化学反应速率，化学平衡不发生移动，b错误；c．增大反应物水蒸气浓度，化学平衡正向移动，甲烷的转化率增大，c正确；故意合理选项是c；

②反应Ⅰ与反应Ⅱ相加，整理可得CH4、H2O生成CO2、H2的热化学方程式为CH4(g)+2H2OCO2(g)+4H2(g) H =+169kJ/mol；

③在密闭容器中，将2.0 mol CO与8.0 mol H2O混合加热到800℃发生反应Ⅱ：

CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g)

n(开始)/mol 2.0 8.0 0 0

n(改变) 1.6 1.6 1.6 1.6

n(平衡) 0.4 6.4 1.6 1.6

由于该反应是反应前后气体体积相等的反应，所以浓度比等于物质的量的比，故K=；

(2)①催化重整后的化学方程式为CH4(g)+2H2O(g)CO2(g)+4H2(g)，向其中投入CaO时，CaO可吸收CO2，使c(CO2)减小，平衡正向移动，使生成H2更多，H2百分含量增大H2百分含量增大；

②若投入纳米CaO时，由于纳米CaO颗粒小，表面积大，可以使反应速率加快，c(CO2)减小的多，平衡正向移动加剧，所以H2百分含量增大；

(3)①反应Ⅰ的正反应是气体体积增大的吸热反应，为了减少积炭，要使平衡逆向移动，可以采取的措施是增大压强、降低温度的办法；

②如果Ⅰ、Ⅱ均发生了积炭反应，通入过量水蒸气能有效清除积炭，是因为C与水蒸气反应，产生氢气和CO，反应的化学方程式是C+H2O=CO+H2。