Question

【題目】甲烷以天然氣和可燃冰兩種主要形式存在于地球上，儲(chǔ)量巨大，充分利用甲烷對(duì)人類的未來(lái)發(fā)展具有重要意義。

（1）乙炔（CH≡CH）是重要的化工原料。工業(yè)上可用甲烷裂解法制取乙炔，反應(yīng)為：2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）。甲烷裂解時(shí)還發(fā)生副反應(yīng)： 2CH4(g）C2H4(g）+2H2(g）。甲烷裂解時(shí)，幾種氣體平衡時(shí)分壓（Pa）的對(duì)數(shù)即lgP與溫度（℃）之間的關(guān)系如圖所示。

①1725℃時(shí)，向恒容密閉容器中充入CH4，達(dá)到平衡時(shí)CH4生成C2H2的平衡轉(zhuǎn)化率為_______。

②1725℃時(shí)，若圖中H2的lgP=5，則反應(yīng)2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）的平衡常數(shù)Kp=_________（注：用平衡分壓Pa代替平衡濃度mol/L進(jìn)行計(jì)算）。

③根據(jù)圖判斷，2CH4(g）C2H2(g）+3H2(g）△H_____0（填“＞”或“＜”）。由圖可知，甲烷裂解制乙炔過(guò)程中有副產(chǎn)物乙烯生成。為提高甲烷制乙炔的產(chǎn)率，除改變溫度外，還可采取的措施有_______。

（2）工業(yè)上用甲烷和水蒸氣在高溫和催化劑存在的條件下制得合成氣（CO、H2），發(fā)生反應(yīng)為：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H＞0

圖中a、b、c、d四條曲線中的兩條代表壓強(qiáng)分別為1MPa、2MPa時(shí)甲烷含量曲線，其中表示1MPa的是________（填字母）。在實(shí)際生產(chǎn)中采用圖中M點(diǎn)而不是N點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)條件，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和平衡知識(shí)，同時(shí)考慮實(shí)際生產(chǎn)，說(shuō)明選擇該反應(yīng)條件的主要原因是__________。

（3）利用CH4、CO2在一定條件下重整的技術(shù)可得到富含CO的氣體，在能源和環(huán)境上具有雙重重大意義。重整過(guò)程中的催化轉(zhuǎn)化原理如圖所示:

已知： CH4(g)+ H2O(g) CO (g )+ 3H2(g) △H =+206.2 kJ/mol

CH4(g)+ 2H2O(g) CO2(g )+4H2(g) △H =+158.6 kJ/mol

則：

①過(guò)程II中第二步反應(yīng)的化學(xué)方程式為__________。

②只有過(guò)程I投料比=______，過(guò)程II中催化劑組成才會(huì)保持不變。

③該技術(shù)總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_______________。

Answer 1

【答案】 62.5% 1×1013 ＞ 充入適量乙烯或使用選擇性更高的催化劑等 a 與2MPa的壓強(qiáng)相比，1MPa條件下CH4的平衡轉(zhuǎn)化率更高，對(duì)設(shè)備要求不高，有利于降低成本；雖然溫度越高越有利于提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，但700℃時(shí)CH4的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)較高，再升高溫度，平衡轉(zhuǎn)化率變化不大；700℃時(shí)催化劑活性高，反應(yīng)的速率快。 3Fe + 4CaCO3Fe3O4 + 4CaO + 4CO↑ (或分步寫(xiě)成CaCO3CaO + CO2↑，3Fe + 4CO2 Fe3O4+ 4CO) 1:3 CH4(g) + 3CO2(g) 2H2O(g) + 4CO(g) △H =+349kJ/mol

【解析】試題分析：由圖可知，在1725℃，2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）達(dá)到平衡時(shí)，CH4、C2H2、C2H4的平衡分壓的對(duì)數(shù)分別為2、2、1，故其CH4、C2H2、C2H4的平衡分壓分別為100 Pa、100 Pa、10 Pa。CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H＞0，該反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的吸熱反應(yīng)，平衡時(shí)甲烷的含量隨溫度升高而減小、隨壓強(qiáng)增大而增大。

（1）①1725℃由圖可知，達(dá)到平衡時(shí)，CH4、C2H2、C2H4的平衡分壓的對(duì)數(shù)分別為2、2、1，故其CH4、C2H2、C2H4的平衡分壓分別為100 Pa、100 Pa、10 Pa，在同溫同體積條件下，不同氣體的壓強(qiáng)之比等于其物質(zhì)的量之比，故CH4、C2H2、C2H4的物質(zhì)的量之比為10:10:1，由C原子守恒可知，CH4生成C2H2的平衡轉(zhuǎn)化率為62.5%。

②1725℃時(shí)，若圖中H2的lgP=5，則反應(yīng)2CH4(g）C2H2(g）+ 3H2(g）的平衡常數(shù)Kp=1×1013。

③根據(jù)圖可知，C2H2的平衡分壓隨溫度升高而增大，所以反應(yīng)2CH4(g）C2H2(g）+3H2(g）為吸熱反應(yīng)，故其△H＞0。由圖可知，甲烷裂解制乙炔過(guò)程中有副產(chǎn)物乙烯生成。為提高甲烷制乙炔的產(chǎn)率，除改變溫度外，還可采取的措施有：充入適量乙烯使2CH4(g）C2H4(g）+2H2(g）的平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，或使用對(duì)甲烷轉(zhuǎn)化為乙炔的選擇性更高的催化劑等。

（2）CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g) H＞0，該反應(yīng)為氣體分子數(shù)增大的吸熱反應(yīng)，平衡時(shí)甲烷的含量隨溫度升高而減小、隨壓強(qiáng)增大而增大，所以，圖中a、b、c、d四條曲線中表示1MPa的是a。在實(shí)際生產(chǎn)中采用圖中M點(diǎn)而不是N點(diǎn)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)條件，類比工業(yè)上合成氨條件的選擇可知，選擇該反應(yīng)條件的主要原因是：與2MPa的壓強(qiáng)相比，1MPa條件下CH4的平衡轉(zhuǎn)化率更高，對(duì)設(shè)備要求不高，有利于降低成本；雖然溫度越高越有利于提高CH4的平衡轉(zhuǎn)化率，但700℃時(shí)CH4的平衡轉(zhuǎn)化率已經(jīng)較高，再升高溫度，平衡轉(zhuǎn)化率變化不大；700℃時(shí)催化劑活性高，反應(yīng)的速率快。

（3）①由題中重整過(guò)程的催化轉(zhuǎn)化原理示意圖可知，過(guò)程II中第一步反應(yīng)是為了實(shí)現(xiàn)含氫物質(zhì)與含碳物質(zhì)的分離，故第一步反應(yīng)為一氧化碳、二氧化碳、氫氣與四氧化三鐵和氧化鈣反應(yīng)生成鐵和碳酸鈣；過(guò)程II中第二步是為了得到富含CO的氣體，反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Fe + 4CaCO3Fe3O4 + 4CaO + 4CO↑ (或分步寫(xiě)成CaCO3CaO + CO2↑，3Fe + 4CO2 Fe3O4+ 4CO)。

②由過(guò)程II中第二步反應(yīng)的化學(xué)方程式為3Fe + 4CaCO3Fe3O4 + 4CaO + 4CO↑可知中，其第一反應(yīng)反應(yīng)為Fe3O4 + 4CaO+ 2CO(g) +2H2(g) +2CO2(g) 3Fe + 4CaCO3+ 2H2O(g)時(shí)，過(guò)程II中催化劑組成才會(huì)保持不變。由反應(yīng)CH4+CO2(g) 2H2(g) +2CO(g)可知，當(dāng)投料比=1:3時(shí)，過(guò)程I產(chǎn)生的氣體的組成符合要求。

③已知：(a) CH4(g)+ H2O(g) CO(g)+3H2(g) △H =+206.2 kJ/mol；(b)CH4(g)+ 2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) △H =+158.6 kJ/mol。根據(jù)蓋斯定律，由(a) (b) 可得CH4(g) + 3CO2(g) 2H2O(g) + 4CO(g)，△H =(+206.2 kJ/mol) (+158.6 kJ/mol) =+349kJ/mol，所以，該技術(shù)總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH4(g) + 3CO2(g) 2H2O(g) + 4CO(g) △H =+349kJ/mol。