Question

【題目】氫氣作為新能源，廣泛應(yīng)用于能源、化學(xué)等領(lǐng)域。現(xiàn)階段氫氣主要通過天然氣重整的方式進行工業(yè)生產(chǎn)。發(fā)生的化學(xué)方程式如下：

反應(yīng)I CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g) △H1＝＋206 kJ/mol

反應(yīng)II CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) △H2＝－41 kJ/mol

副反應(yīng) CH4(g)C(s)＋2H2(g) △H3＝＋75 kJ/mol

(1)①若僅發(fā)生反應(yīng)I，為提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，宜采用的反應(yīng)條件為_________。

A.高溫高壓 B.低溫低壓 C.高溫低壓 D.低溫高壓

②某研究小組在一定條件下往恒溫恒容的密閉容器中通入一定量的甲烷和水蒸氣，實驗過程中發(fā)現(xiàn)CO2的產(chǎn)率遠(yuǎn)大于CO的產(chǎn)率，請解釋可能的原因________________。

(2)在實際生產(chǎn)過程中，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)使用Ni作為催化劑(當(dāng)Ni表面吸附大量碳時，會導(dǎo)致催化劑活性下降)，可加快反應(yīng)I的反應(yīng)速率，從而加快整個反應(yīng)的進行，提高單位時間內(nèi)H2的產(chǎn)率。

①某恒容體系中，壓強為1.3MPa，水/甲烷的物質(zhì)的量之比為4，反應(yīng)相同時間，H2的物質(zhì)的量隨反應(yīng)溫度的變化曲線如圖所示。

下列說法正確的是__________

A.對反應(yīng)I而言，KT1>KT2

B.水/甲烷的物質(zhì)的量之比等于4，大于初始反應(yīng)的化學(xué)計量數(shù)之比，有利于促進CH4的轉(zhuǎn)化，同時也有利于CO轉(zhuǎn)化為CO2

C.使用Ni做催化劑，可增加活化分子百分?jǐn)?shù)，從而加快反應(yīng)速率，其主要原因是提高分子自身所具有的能量

D.若控制其他條件不變，縮小體積，則CH4的平衡轉(zhuǎn)化率將減小

②在某恒溫體系中，體積為1L，水/甲烷的物質(zhì)的量之比等于4，投入CH4的量為l mol，若僅發(fā)生上述一系列反應(yīng)，一段時間后，測得CH4的轉(zhuǎn)化率為a，其中生成CO的選擇性(轉(zhuǎn)化的CH4中，生成CO的百分含量)為b，CO2的濃度為c mol/L，求此時H2的物質(zhì)的量濃度為___________，CO的物質(zhì)的量濃度為______________

(3)現(xiàn)科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，以Ni－CaO為復(fù)合催化劑能在一定程度上促進天然氣重整反應(yīng)的正向進行，使H2體積分?jǐn)?shù)達(dá)到95%左右。請從能量利用及平衡移動角度，理論分析以Ni－CaO為復(fù)合催化劑的優(yōu)點_____________________________________________。

(4)CH4自身也可做為然料電池的原料，其工作原理如圖所示。

請寫出通入甲烷－極的電極反應(yīng)式為_______________________________________。

Answer 1

【答案】C 反應(yīng)I的活化能較高,反應(yīng)II的活化能較低,因此生成的CO被迅速轉(zhuǎn)化為二氧化碳不能積累 BD (ab+c+2a)mol/L (ab-c)mol/L 氧化鈣可吸附二氧化碳，使I的平衡正向移動，提高氫氣的產(chǎn)率；同時，氧化鈣吸附二氧化碳是放熱反應(yīng)，可為反應(yīng)I的進行提供熱量，降低系統(tǒng)能耗。

【解析】

（1）①由于反應(yīng)I為吸熱反應(yīng)，且為氣體體積增大的反應(yīng)，故為了提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，宜采用的反應(yīng)條件為高溫低壓，答案選C；

②在一定條件下往恒溫恒容的密閉容器中通入一定量的甲烷和水蒸氣， CO2的產(chǎn)率遠(yuǎn)大于CO的產(chǎn)率，是由于反應(yīng)I的活化能較高,反應(yīng)II的活化能較低,因此生成的CO被迅速轉(zhuǎn)化為二氧化碳不能積累；

（2）①A. 反應(yīng)I為吸熱反應(yīng)，故對反應(yīng)I而言，KT1<KT2，A錯誤；

B. 水/甲烷的物質(zhì)的量之比等于4，大于初始反應(yīng)的化學(xué)計量數(shù)之比，有利于促進CH4的轉(zhuǎn)化，同時也有利于CO轉(zhuǎn)化為CO2，B正確；

C. 使用Ni做催化劑，可增加活化分子百分?jǐn)?shù)，從而加快反應(yīng)速率，其主要原因是降低了反應(yīng)的活化能，C錯誤；

D. 由于反應(yīng)I為氣體體積增大的反應(yīng)，若控制其他條件不變，縮小體積，則CH4的平衡轉(zhuǎn)化率將減小，D正確；

故答案選BD；

②生成CO的選擇性(轉(zhuǎn)化的CH4中，生成CO的百分含量)為b，則反應(yīng)I消耗的甲烷的物質(zhì)的量濃度為ab mol/L，生成的氫氣為3ab mol/L，由于CO2的濃度為c mol/L，則反應(yīng)II生成氫氣的濃度為c mol/L，反應(yīng)III甲烷的消耗量為a(1-b)，則生成的氫氣的濃度為2a(1-b)，則生成氫氣的總濃度為(ab+c+2a)mol/L，反應(yīng)I生成的CO的濃度為ab，反應(yīng)II消耗的CO的濃度為c，則生成的CO濃度為(ab-c)mol/L；

（3）以Ni－CaO為復(fù)合催化劑的優(yōu)點為氧化鈣可吸附二氧化碳，使I的平衡正向移動，提高氫氣的產(chǎn)率；同時，氧化鈣吸附二氧化碳是放熱反應(yīng)，可為反應(yīng)I的進行提供熱量，降低系統(tǒng)能耗；

（4）甲烷在該燃料電池中作負(fù)極，電極反應(yīng)為。