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解答题-原理综合题 适中0.65 引用1 组卷225
氢能源是最具应用前景的能源之一。甲烷-水蒸气催化重整制氢(SMR)是一种制高纯氢的方法之一,其涉及的主要反应如下:
反应Ⅰ:       
反应Ⅱ:       
反应Ⅲ:       
回答下列问题:
(1)反应Ⅱ能自发进行的条件是_______
(2)一定温度下,向某容积为1L的恒容容器中按照水碳比充入amolCH4(g)和3amolH2O(g),tmin后反应达到平衡。达到平衡时,容器中CO为mmol,CO2为nmol。
①下列说法不正确的是_______
A.为防止催化剂中毒和安全事故发生,需对原料气进行脱硫等净化处理
B.提高水碳比,有利于提高H2的产率
C.其他条件不变,压缩容器体积,反应Ⅱ的平衡不发生移动
D.以Ni/γ-Al2O3作催化剂,降低反应活化能,提高反应速率和原料平衡利用率
②反应Ⅲ的平衡常数K=_______(用含a,m,n的代数式表示)。
(3)650((局部温度过高会造成积碳)、按照一定流速通入原料气,当水碳比[]一定时,催化剂中无添加吸附剂和添加P-Li4SiO4吸附((吸收CO2),各气体组分反应的平衡含量与时间的关系如图所示:

①催化剂中添加P-Li4SiO4吸附剂与无添加吸附剂比较,timin前压的平衡含量升高,CO2、CO和CH4的平衡含量降低;t1min后H2的平衡含量降低,CO2、CO和CH4的平衡含量升高,最后与无添加吸附剂时的含量相同,H2的平衡含量先升高后降低可能的原因是_______
②实验时发现t1min后CO2的平衡含量低于理论平衡值,CO的平衡含量高于理论平衡值,可能的原因是_______(用化学反应方程式表示)。
(4)该反应常采用钯膜分离技(可选择性地让某气体通过而离开体系),其机理如图所示,其中过程2:,其活化能E((正)<E((逆);过程3:H*在钯膜内的迁移速率是决速步(*表示物质吸附在催化剂表面),下列说法不正确的是_______。

A.钯膜对H2分子的透过具有选择性
B.过程4的
C.采用钯膜分离技术可以提高原料的利用率
D.常用N2将过程5中的H2吹扫出反应器而促进反应
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知识点:化学反应原理综合考查化学平衡图像分析化学平衡常数的有关计算化学反应进行方向的判据 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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氢气作为新能源,广泛应用于能源、化学等领域。现阶段氢气主要通过天然气重整的方式进行工业生产。发生的化学方程式如下:
反应I CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+206 kJ/mol
反应Ⅱ     CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41 kJ/mol
副反应 CH4(g)C(s)+2H2(g) △H3=+75 kJ/mol
(1)①若仅发生反应I,为提高CH4的平衡转化率,宜采用的反应条件为_________
A.高温高压          B.低温低压          C.高温低压        D.低温高压
②某研究小组在一定条件下往恒温恒容的密闭容器中通入一定量的甲烷和水蒸气,实验过程中发现CO2的产率远大于CO的产率,请解释可能的原因________________
(2)在实际生产过程中,科学家发现使用Ni作为催化剂(当Ni表面吸附大量碳时,会导致催化剂活性下降),可加快反应I的反应速率,从而加快整个反应的进行,提高单位时间内H2的产率。
①某恒容体系中,压强为1.3MPa,水/甲烷的物质的量之比为4,反应相同时间,H2的物质的量随反应温度的变化曲线如图所示。

下列说法正确的是__________
A.对反应I而言,KT1>KT2
B.水/甲烷的物质的量之比等于4,大于初始反应的化学计量数之比,有利于促进CH4的转化,同时也有利于CO转化为CO2
C.使用Ni做催化剂,可增加活化分子百分数,从而加快反应速率,其主要原因是提高分子自身所具有的能量
D.若控制其他条件不变,缩小体积,则CH4的平衡转化率将减小
②在某恒温体系中,体积为1L,水/甲烷的物质的量之比等于4,投入CH4的量为l mol,若仅发生上述一系列反应,一段时间后,测得CH4的转化率为a,其中生成CO的选择性(转化的CH4中,生成CO的百分含量)为b,CO2的浓度为c mol/L,求此时H2的物质的量浓度为___________,CO的物质的量浓度为______________
(3)现科学家发现,以Ni-CaO为复合催化剂能在一定程度上促进天然气重整反应的正向进行,使H2体积分数达到95%左右。请从能量利用及平衡移动角度,理论分析以Ni-CaO为复合催化剂的优点_____________________________________________
(4)CH4自身也可做为燃料电池的原料,其工作原理如图所示。

请写出通入甲烷-极的电极反应式为_______________________________________
氢气既是一种优质的能源,又是一、种重要化工原料,高纯氢的制备是目前的研究热点。
(1)甲烷水蒸气催化重整是制备高纯氢的方法之一,甲烷和水蒸气反应的热化学方程式是:
CH4(g) +2H2O(g)CO2(g) +4H2(g) ∆H= +165. 0kJ·mol-1
已知反应器中存在如下反应过程:
I.CH4(g) +H2O(g)⇌CO(g) +3H2(g) △H1= +206.4kJ·mol -1
II.CO(g) +H2O(g)⇌CO2(g) +H2(g) △H2
化学键H-HO-HC-HC≡O
键能/kJ·mol-1436465a1076
根据上述信息计算:a=______、∆H2 =______
(2)某温度下,4molH2O和lmol CH4,在体积为2L的刚性容器内同时发生I、II反应,达平衡时,体系中n(CO)=bmol、n(CO2)=dmol,则该温度下反应I的平衡常数K值为___(用字母表示)。
(3)欲增大CH4转化为H2的平衡转化率,可采取的措施有______(填标号)。
A.适当增大反应物水与甲烷的投料比        B.提高压强       C.分离出CO2
(4)H2用于工业合成氨:N2 +3H22NH3 ∆H<0 将n(N2):n(H2) =1:3的混合气体匀速通过装有催化剂的反应器反应,反应器温度变化与从反应器排出气体中NH3的体积分数φ(NH3)关系如图,反应器温度升高NH;的体积分数φ(NH3)先增大后减小的原因是______

(5)在Fe催化剂作用下,工业合成NH3的反应历程为:( *表示吸附态)
化学吸附:N2(g)→2N* ; H2(g)→2H* ;
表面反应:N* +H*⇌NH* ;NH* +H*⇌NH2 * ;NH2* +H*⇌NH3*
脱附:NH3 *⇌NH2(g)
其中,N2的吸附分解反应活化能高、速率慢,决定了合成氨的整体反应速率。实际生产中。常用工艺条件,Fe作催化剂,控制温度773K,压强3.0×105Pa,原料中N2和H2物质的量之比为12. 8。
①分析说明原料气中N2过量的理由____________
②关于合成氨工艺的下列理解,正确的是______
A.控制温度(773K)远高于室温,是为了保证尽可能高的平衡转化率和快的反应速率
B.当温度、压强一定时,在原料气(N2和H2的比例不变)中添加少量惰性气体,有利于提高平衡转化率
C.基于NH3有较强的分子间作用力可将其液化,不断将液氨移去,利于反应正向进行
D.分离空气可得N2通过天然气和水蒸气转化可得H2,原料气须经过净化处理,以防止催化剂中毒和安全事故发生

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