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解答题-原理综合题 较难0.4 引用2 组卷420
氢能是一种极具发展潜力的清洁能源。
I.水煤气法制取氢气
煤气化装置中发生反应①：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) △H=+135kJ•mol-1；
水气变换装置中发生反应②：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H=-41kJ•mol-1。
(1)反应①发生前，需要通入一定量的氧气与碳发生燃烧反应，通入氧气的作用为_____。其他条件不变时，在相同时间内，向水气变换装置中投入一定量的CaO，H2的体积分数_____(填“增大”“减小”或“不变”)；如图所示，微米CaO和纳米CaO对平衡的影响力不同的原因为_____。

(2)一定量的煤和水蒸气经反应①后进入反应②装置且进料比=0.8，反应一段时间后，达到平衡时=3：1，CO的平衡转化率为_____。
II.水分解法制取氢气
(3)将CoFe2O4负载在Al2O3上作为催化剂，反应分两步实现，产氧温度在1200℃，产氢温度在1000℃时，循环机理如图所示。

已知：H2O(g)H2(g)+O2(g) △H=(a+b)kJ•mol-1
第①步：CoFe2O4(s)+3Al2O3(s)CoAl2O4(s)+FeAl2O4(s)+O2(g) △H=akJ•mol-1；
第②步反应的热化学方程式为______。
(4)若第②步反应的平衡常数为K，则平衡常数的表达式为K=_____。
(5)已知对于反应aA(g)+bB(g)cC(g)+dD(g)，v正=k正•ca(A)•cb(B)，v逆=k逆•cc(C)•cd(D)，其中k正、k逆分别为正、逆反应速率常数。1000℃时，第②步反应测得H2O(g)和H2物质的量浓度随时间的变化如图所示，a点时，v正：v逆=_____。
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知识点：盖斯定律与热化学方程式化学平衡的移动及其影响因素化学平衡的有关计算化学平衡常数的有关计算 答案解析 【答案】很抱歉，登录后才可免费查看答案和解析！
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绿色能源是未来能源发展的重要方向，氢能是重要的绿色能源。
(1)氢气是一种环保的气体，不会污染大气且热值高。相关化学键的键能表示如表：
化学键O=OH—HO—H
键能E/(kJ·mol-1)abc

已知：H2O(g)=H2O(l)△H=-dkJ/mol，则氢气燃烧热的△H1=____kJ/mol(用含a.、b、c、d的代数式表示)。
(2)催化制氢是目前大规模制取氢气的方法之一：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41.2kJ·mol-1；在T1℃时，将0.10molCO(g)与0.40molH2O(g)充入5L的容器中，反应平衡后H2的物质的量分数x(H2)=0.08。
①CO的平衡转化率α=____%，反应平衡常数K=____(结果保留2位有效数字)。
②保持容器容积不变，在反应初期，可以提高单位时间内CO转化率的措施有____(填标号)。
A.增大水蒸气的浓度
B.通入“惰性气体”
C.升高温度
D.按原料起始比再通入0.10molCO(g)与0.40molH2O(g)
③由T1℃时上述实验数据计算得到v正~x(CO)和v逆~x(H2)的关系可用如图1表示。当升高到某一温度时，反应重新达到平衡后，相应的点分别为____(填标号)。

④研究表明，CO催化变换反应的速率方程为v=k[x(CO)·x(H2O)-]式中x(CO)、x(H2O)、x(CO2)、x(H2)分别表示相应的物质的量分数，Kp为平衡常数，k为反应的速率常数，温度升高时k值增大。在气体组成和催化剂一定的情况下，反应速率随温度变化的曲线如图2所示。温度升高时，CO催化变换反应的Kp____(填“增大”或“减小”或“不变”)。根据速率方程分析，T>Tm时v逐渐减小的原因是____。

(3)氨电解法制氢气。利用电解原理，将氨转化为高纯氢气，其装置如图3所示。阳极的电极反应式为____。
H2作为一种清洁能源，被视为未来的能源媒介。目前，工业上H2的大规模生产多采用甲烷的重整。镍基催化剂作用下，CH4与H2O重整制备水煤气的反应原理如下：
主反应：CH4(g)+ H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H；
副反应1：CO(g)+ H2O(g) CO2(g) +H2(g) △H1=-41.2 kJ·mol-1；
副反应2：CH4(g)+2H2O(g) CO2(g)+4H2(g) △H2=+165 kJ·mol-1
回答下列问题：
(1)△H = _______；已知主反应分两步进行且第二步反应为NiCH2+NiOCO+H2+2Ni，则第一步反应的化学方程式为_____。
(2)恒压密闭容器中，CH4(g)和H2O(g)按投料比为1 ： 3发生催化重整制备水煤气。测得不同温度下反应达到平衡时CH4的转化率和H2的摩尔分数(体积分数)变化曲线如图所示。

①900 °C前，升高温度，CH4的转化率变化较大，H2的摩尔分数变化较小，试分析H2的摩尔分数变化较小的主要原因是___________。
②压强为p0、900 °C达到平衡时，H2O(g)的转化率为_____，CO 和CO2物质的量之比为______，主反应的平衡常数Kp=______ (Kp为用分压表示的平衡常数；p分=p总×物质的量分数)。
(3)在恒容密闭容器中充入一定量CH4(g)和H2O(g)发生催化重整制备水煤气的反应。
①主反应的速率方程为：v正=k正· c(CH4)·c(H2O)，v逆=k逆·c3(H2) ·c(CO)(k正、k逆均为速率常数，只与温度有关)。达到平衡后，升高温度，k正、k逆变化趋势正确的是_________ (填标号)。
A．k正增大，k逆减小
B．k正、k逆都增大且增大的倍数相等
C．k正增大的倍数小于k逆增大的倍数
D．k正增大的倍数大于k逆增大的倍数
②在相同时间内，不同催化剂条件下，测得H2的产率随温度的变化曲线如图所示。则在催化剂____ (填“Ni- CeO2”或“Ni- MgO”)作用下，上述反应活化能较小。900~ 1000°C时两曲线重合的原因是___；T> 1000 °C时，H2产率均突然降低的可能原因是___(答一条即可)。
煤和甲烷既是重要的常用燃料，又是重要的化工原料。根据题意，回答下列问题：
I.煤制天然气过程中，存在多种化学反应，其中在煤气化装置中发生反应①：C(s) + H2O(g)=CO(g) + H2(g) ∆H = +135 kJ • mol-1，而在水气变换装置中发生反应②：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+ H2(g) ∆H =-41 kJ • mol-1
(1)煤气化前，需要通入一定量的氧气与碳发生燃烧反应，请利用平衡移动原理说明通入氧气的作用：_____________________
(2)写出碳和二氧化碳反应生成一氧化碳的热化学方程式_____。
(3)如图表示发生反应①后进入反应②装置的n( H2O)/n(CO)与反应②中CO平衡转化率、温度的变化关系。

若n(H2O)/n(CO)为0.8，一定量的煤和水蒸气经反应①和反应②后，得到CO与H2的物质的量之比为1:3，则反应②所对应的温度是_____(填“T1”、“T2”或“T3”)。
Ⅱ.甲烷重整技术主要是利用甲烷和其他原料来制备合成气(CO和h2混合气体)。现在常(见的重整技术有甲烷——二氧化碳重整、甲烷——水蒸气重整，其反应分别为CH4(g)+3CO2(g)⇌2H2O(g)+4CO(g)；CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2(g)
(4)甲烷——二氧化碳重整的催化转化原理如图所示：

①过程(Ⅱ)实现了含氢物种与含碳物种的分离，写出生成H2O(g)的化学方程式：______
②假设过程(Ⅰ)和过程(Ⅱ)中各步反应均转化完全，则下列说法正确的是_____(填序号)。
a.过程(Ⅰ)和过程(Ⅱ)中均含有氧化还原反应
b.过程(Ⅱ)中使用的催化剂为Fe3O4和CaCO3
C.若过程(Ⅰ)投料比，可导致过程(二)中催化剂失效
(5)通过计算机模拟甲烷——水蒸气重整实验测得，在操作压强为0.1Mpa、水碳比n(H2O)/n(CH4)为1.0，温度为900℃，反应达到平衡时，H2的物质的量分数为0.6。已知该反应的速率方程v=kP(CH4)·P-1(H2)，式中k为速率常数，P为气体分压，气体分压=总压×气体物质的量分数，则此时该反应速率v=_____(用含k的式子表示)；900℃时，该反应的压强平衡常数Kp=_____(用平衡分压代替平衡浓度计算)。

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