問題詳情:
**水蒸氣的重整反應是工業製備*氣的重要方式,其化學反應方程式為CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)。回答下列問題:
(1)已知CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ΔH1=-890.3kJ·mol-1
CO(g)+0.5O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283.0kJ·mol-1
H2(g)+0.5O2(g)=H2O(l) ΔH3=-285.8kJ·mol-1
CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH4=-41.0kJ·mol-1
則**水蒸氣重整反應的ΔH=_____kJ·mol-1。
(2)通過計算機模擬實驗,對400~1200℃、*作壓強為0.1MPa條件下,不同水碳比(1~10)進行了熱力學計算,反應平衡體系中H2的物質的量分數與水碳比、平衡温度的關係如圖所示。
①温度一定時,H2的物質的量分數與水碳比(1~10)的關係是_____,產生該結論的原因是_____。
②據模擬實驗可知,平衡温度為900℃,水碳比為1.0時,H2的物質的量分數為0.6,CH4的轉化率為_____,其壓強平衡常數為_____;反應速率方程為v=kp(CH4)p-1(H2),此時反應速率v=_____。
(已知:氣體分壓=氣體的物質的量分數×總壓,速率方程中k為速率常數)。
(3)厭氧細菌可將葡萄糖轉化為CH4和H2,pH為5.5時不同熱預處理温度和時間下的**和*氣的產率如圖所示,若要提高H2的產率,最佳温度為_____。
【回答】
(1). +206.3 (2). 水碳比越大,H2的物質的量分數越大 (3). 水碳比較大時,CO會與H2O進一步反應生成H2,使H2的物質量分數增大 (4). 66.7% (5). 4.32×10-2(Mpa)2 (6). (7). 80℃
【解析】
(1)①+④−2×②−2×③即得**水蒸氣的重整反應方程式,用蓋斯定律求**水蒸氣重整反應的△H;
(2)①H2的物質的量分數與水碳比(1~10)的關係由圖知;原因從生成*氣的反應角度來回答;
②平衡温度為900℃,水碳比為1.0時,H2的物質的量分數為0.6,列三段式求解CH4的轉化率、壓強平衡常數;根據壓強與氣體物質的量成正比,結合三段式計算;
(3)厭氧細菌可將葡萄糖轉化為CH4和H2,提高H2的產率的最佳温度,由圖可知。
【詳解】(1)已知:①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) ΔH1=-890.3kJ·mol-1
②CO(g)+0.5O2(g)=CO2(g) ΔH2=-283.0kJ·mol-1
③H2(g)+0.5O2(g)=H2O(l) ΔH3=-285.8kJ·mol-1
④CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g) ΔH4=-41.0kJ·mol-1
根據蓋斯定律,①+④−2×②−2×③即得**水蒸氣的重整反應方程式為CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g),則**水蒸氣的重整反應△H=△H1+△H4−2△H2−2△H3=(−890.3−41+2×283.0+2×285.8)kJ⋅mol−1=+206.3 kJ⋅mol−1;
(2)①平衡温度一定時,H2的物質的量分數與水碳比(1~10)的關係,由圖中曲線走勢可知,水碳比越大,H2的物質的量分數越大的原因,從生成*氣的反應可知,除了**水蒸氣的重整反應生成*氣外,一氧化碳和水也會反應產生*氣;
②*作壓強為0.1MPa、平衡温度為900℃條件下,水碳比為1.0時,H2的物質的量分數為0.6,設**和H2O的物質的量均為3mol,達化學平衡時,**消耗xmol,則:
H2的物質的量分數===0.6,解得x=2mol,轉化率α(CH4)=×100%=×100%=66.67%,平衡常數K==(Mpa)2=4.32×10-2(Mpa)2;反應速率v=kp(CH4)p-1(H2)=k=k=k×=;
(3)厭氧細菌可將葡萄糖轉化為CH4和H2,由圖可知,pH為5.5時,若要提高H2的產率,降低**產率,最佳温度為80℃。
【點睛】本題關鍵是理解圖中給出的信息,注意(2)根據“H2的物質的量分數為0.6”這一條件,可以列三段式求解CH4的轉化率、壓強平衡常數。
知識點:化學反應速率 化學平衡
題型:綜合題