甲烷水蒸气的重整反应是工业制备氢气的重要方式,其化学反应方程式为CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)。回答下列问题:
(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
则甲烷水蒸气重整反应的ΔH=_____kJ·mol-1。
(2)通过计算机模拟实验,对400~1200℃、操作压强为0.1MPa条件下,不同水碳比(1~10)进行了热力学计算,反应平衡体系中H2的物质的量分数与水碳比、平衡温度的关系如图所示。
①温度一定时,H2的物质的量分数与水碳比(1~10)的关系是_____,产生该结论的原因是_____。
②据模拟实验可知,平衡温度为900℃,水碳比为1.0时,H2的物质的量分数为0.6,CH4的转化率为_____,其压强平衡常数为_____;反应速率方程为v=kp(CH4)p-1(H2),此时反应速率v=_____。
(已知:气体分压=气体的物质的量分数×总压,速率方程中k为速率常数)。
(3)厌氧细菌可将葡萄糖转化为CH4和H2,pH为5.5时不同热预处理温度和时间下的甲烷和氢气的产率如图所示,若要提高H2的产率,最佳温度为_____。
(1). +206.3 (2). 水碳比越大,H2的物质的量分数越大 (3). 水碳比较大时,CO会与H2O进一步反应生成H2,使H2的物质量分数增大 (4). 66.7% (5). 4.32×10-2(Mpa)2 (6). (7). 80℃
【解析】
(1)①+④−2×②−2×③即得甲烷水蒸气的重整反应方程式,用盖斯定律求甲烷水蒸气重整反应的△H;
(2)①H2的物质的量分数与水碳比(1~10)的关系由图知;原因从生成氢气的反应角度来回答;
②平衡温度为900℃,水碳比为1.0时,H2的物质的量分数为0.6,列三段式求解CH4的转化率、压强平衡常数;根据压强与气体物质的量成正比,结合三段式计算;
(3)厌氧细菌可将葡萄糖转化为CH4和H2,提高H2的产率的最佳温度,由图可知。
【详解】(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
根据盖斯定律,①+④−2×②−2×③即得甲烷水蒸气的重整反应方程式为CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g),则甲烷水蒸气的重整反应△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平衡温度一定时,H2的物质的量分数与水碳比(1~10)的关系,由图中曲线走势可知,水碳比越大,H2的物质的量分数越大的原因,从生成氢气的反应可知,除了甲烷水蒸气的重整反应生成氢气外,一氧化碳和水也会反应产生氢气;
②操作压强为0.1MPa、平衡温度为900℃条件下,水碳比为1.0时,H2的物质的量分数为0.6,设甲烷和H2O的物质的量均为3mol,达化学平衡时,甲烷消耗xmol,则:
H2的物质的量分数===0.6,解得x=2mol,转化率α(CH4)=×100%=×100%=66.67%,平衡常数K==(Mpa)2=4.32×10-2(Mpa)2;反应速率v=kp(CH4)p-1(H2)=k=k=k×=;
(3)厌氧细菌可将葡萄糖转化为CH4和H2,由图可知,pH为5.5时,若要提高H2的产率,降低甲烷产率,最佳温度为80℃。
【点睛】本题关键是理解图中给出的信息,注意(2)根据“H2的物质的量分数为0.6”这一条件,可以列三段式求解CH4的转化率、压强平衡常数。
化学反应速率:
1.定义:化学反应速率是用来衡量化学反应进行的快慢程度的物理量。
2.表示方法:在容积不变的反应器中,通常用单位时间内反应物浓度的减少或生成物浓度的增加来表示。即:
3.单位:mol·L-1·s-1或mol·L-1·min-1等。
4.注意:
(1)化学反应速率是指一段时间内的平均速率,而不是瞬时速率;通常前一段时间的平均反应速率要快于后一段时间的平均反应速率,反应速率均取正值,即v>0。
(2)在一定温度下,固体和纯液体物质单位体积的物质的量保持不变,即物质的量浓度为常数,因此在表示化学反应速率时,不代入固体或纯液体物质的浓度。浓度是指气体或溶液的浓度。
(3)同一个化学反应在相同的条件下、在同一段时间内,用不同物质表示反应速率时,数值可能相同也可能不同,但表达的意义都相同,即反应的快慢程度是一样的。
(4)在同一反应巾用不同的物质来表示反应速率时,其数值之比等于化学方程式中各物质的化学计量数之比.
如化学反应: , ,所以
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