Question

[15分]甲烷自熱重整是先進的制氫方法，包含甲烷氧化和蒸汽重整。向反應系統同時通入甲烷、氧氣和水蒸氣，發生的主要化學反應有：

反應過程	化學方程式	焓變△H (kJ/mol)	活化能Ea (kJ/mol)
甲烷氧化	CH4(g)＋2O2(g)CO2(g)＋2H2O(g)	－802.6	125.6
	CH4(g)＋O2(g)CO2(g)＋2H2(g)	－322.0	172.5
蒸汽重整	CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)	206.2	240.1
	CH4(g)＋2H2O(g)CO2(g)＋4H2(g)	165.0	243.9

回答下列問題：
（1）反應CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)的△H=        kJ/mol。
（2）在初始階段,甲烷蒸汽重整的反應速率    甲烷氧化的反應速率（填大于、小于或等于）。
（3）對于氣相反應，用某組分(B)的平衡壓強(P_B)代替物質的量濃度(c_B)也可以平衡常數（記作K_P），則反應CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)的K_P＝                         ；
隨著溫度的升高，該平衡常數           （填“增大”、“減小”或“不變”）。
（4）從能量階段分析，甲烷自熱重整方法的先進之處在于                           。
（5）在某一給定進料比的情況下，溫度、壓強對H₂和CO物質的量分數的影響如下圖：

①若要達到H₂物質的量分數>65%、CO的物質的量分數<10%，以下條件中最合適的是  。
A．600℃，0.9Mpa    B．700℃，0.9MPa    C．800℃，1.5Mpa    D．1000℃，1.5MPa
②畫出600℃，0.1Mpa條件下，系統中H₂物質的量分數隨反應時間（從常溫進料開始即時）
的變化趨勢示意圖：

（6）如果進料中氧氣量過大，最終導致H₂物質的量分數降低，原因是              。

Answer 1

(15分)
(1)-41.2
(2)小于
(3)
增大
(4)系統內強放熱的甲烷氧化反應為強吸熱的蒸汽重整反應提供了所需的能量(其他合理答案均可)
(5)①B
②

(6)甲烷氧化程度過高，氫氣和氧氣反應(其他合理答案均可)

（1）由反應CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g) △H₁="206.2" kJ/mol和CH₄(g)＋2H₂O(g)CO₂(g)＋4H₂(g) △H₂="165.0" kJ/mol，再根據蓋斯定律可知，反應CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)的△H=△H₂-△H₁="-41.2" kJ/mol；（2）開始時由于體系不能提供重整所需的熱能，所以其氧化速率大于重整速率；（3）反應CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)的K_P=；由于該反應為吸熱反應，所以，當溫度升高時其平衡常數將增大；（４）該方法的先進之處為，用甲烷氧化反應所釋放出來的大量熱量來滿足強吸熱的蒸汽重整反應所需要的熱量；（５）①分析圖表，從左圖中可找到0.9 Mpa，700℃時H2的物質的量分數大于65%，從右圖中可找到0.9 Mpa，700℃時CO的物質的量分數小于10%，所以B項正確；②圖像特點為開始由于體系溫度未達到400℃，重整反應微弱，H2的含量幾乎為0，后隨著反應進行，體系的溫度升高H₂的含量也增大，到接近70%時達到最大值；（6）若甲烷氧化程度過高，若氧氣的含量再增加，這時氫氣將和氧氣反應，導致氫氣的物質的量分數下降。
【考點定位】本題考查蓋斯定律、化學平衡和圖表分析能力。