合成气(CO+H2)可利用甲烷与水蒸气重整反应制得。(1)已知：①H2(g)+O2(g)=...

合成气(CO+H2)可利用甲烷与水蒸气重整反应制得。

(1)已知：①H2(g)+O2(g)=H2O(g)　　 △H1=-242kJ•mol-1

②2CO(g)+O2(g)=2CO2(g)　　 △H2=-576kJ•mol-1

③CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)　　 △H3=-802.6KJ•mo1-1

则甲烷和水蒸气重整反应CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)△H4=____。该反应的活化能E1=240.1kJ•mol-1，则逆反应的活化能E2=____。

(2)重整反应中CH4的平衡转化率与温度、压强关系[其中n(CH4)：n(H2O)=1：1]如图1所示。

①图中A点的平衡常数KP=___(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)，比较A、B、C三点的平衡常数Kp(A)、KP(B)、KP(C)由大到小的顺序为___。

②图中压强P1、P2、P3由大到小的顺序为___，理由是____。

(3)在恒容密闭容器中充入2mol的CH4和H2O(曲混合气体，且CH4和H2O(g)的物质的量之比为x，相同温度下测得H2平衡产率与x的关系如图2所示。请比较a、b两点CH4的转化率a点___b点(填“＞”、“＜”、“=”下同)，a点c(CH4)___b点c[H2O(g)]。当x=1时，下列叙述正确的是____(填序号)。

A．平衡常数K最大　　　　 B．CH4的转化率最大

C．氢气的产率最大　　　　 D．合成气的浓度最大

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（16分）甲烷水蒸气重整制合成气是利用甲烷资源的途径之一，该过程的主要反应是

反应①：CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g)　　 ΔH > 0

（1）已知：

CH4(g) + 2O2(g) = CO2(g) + 2H2O(g)　　　　 ΔH1 = －802 kJ·mol-1

CO(g) + 1/2O2(g) = CO2(g)　　　　　　　　 　 ΔH2 = －283 kJ·mol-1

H2(g) + 1/2O2(g) = H2O(g)　　　　　　　　　 ΔH3 = －242 kJ·mol-1

则反应①的ΔH =_________（用ΔH1、ΔH2和ΔH3表示）。

（2）其他条件相同，反应①在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CH4的转化率随反应温度的变化如图所示。

①在相同条件下，三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是________。

②a点所代表的状态________（填“是”或“不是”）平衡状态。

③c点CH4的转化率高于b点，原因是________。

（3）反应①在恒容密闭反应器中进行，CH4和H2O的起始物质的量之比为1︰2，10 h后CH4的转化率为80％，并测得c(H2O)＝0.132 mol·L－1，计算0～10 h内消耗CH4的平均反应速率_____（写出计算过程，结果保留2位有效数字）。

（4）在答题卡的坐标图中，画出反应①分别在700℃和850℃下进行时，CH4的转化率随时间t变化的示意图（进行必要标注）。

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I.(1)利用水蒸气或二氧化碳对甲烷进行重整是提高甲烷利用率的重要方式水蒸气重整：

CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)　　 △H1=+205.9 KJ·mol-1　 ①　

CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g)　　　　 △H 2 =－41.2 KJ·mol-1　　　　　　　 ②

二氧化碳重整：CH4(g)+CO2(g) 2CO(g)+2H2(g)　　　 △H 3　　　　　　　　 ③

则反应①自发进行的条件是____________，△H3 =___________KJ·mol-1

Ⅱ.2017年7月10日我国甲烷、二氧化碳重整制合成气装置在山西实现全系统运行，减少了温室气体的排放。

(2)某2L恒容密闭容器中，投入2 mol CH4和2 mol CO2，不同温度下平衡体系中CH4和CO的物质的量分数/(y)%随温度变化如右图所示：

①T1温度下该反应的平衡常数是_________

②2c点CH4的物质的量分数为_________

③v逆：a_________b点(填“>”、“<”、“=”、“无法确定”)，理由是________。

(3)现有温度相同的I、II、III三个恒压密闭容器，均已充入1 mol CH4(g)和1 mol CO2(g)，三个容器的反应压强分别为p1atm、p2atm、p3atm，在其他条件相同的的情况下，反应进行到tmin时，CO2的体积分数如下图，此时I、II、III三个容器中可能处于化学平衡状态的是_________。

III.(4)以多孔石墨为阳极，以NaCl和NaOH的混合溶液作电解液，用电解法由甲烷制取甲醇。写出阳极的电极反应式：________________。

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甲烷水蒸气重整制合成气是利用甲烷资源的途径之一，该过程的主要反应是：

CH4（g)+ H2O（g) CO（g) + 3H2（g)　　

其他条件相同，在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ）作用下反应相同时间后，体系中CO含量随反应温度的变化如图所示。下列说法正确的是

A．相同条件下，催化剂Ⅱ催化效率更高

B．b点表示上述反应在对应条件下的平衡状态

C．根据图象，无法判断该反应是否为吸热反应

D．该反应平衡常数表达式为K=c（CO)·c3 （H2) /c（CH4)

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甲烷水蒸气重整和水气变换是传统的制氢方法，反应如下 ：

①CH4(g)+H2O(g)⇌CO(g)+3H2 (g)　 △H1= 206kJ•mol-1

②CO(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+H2(g)　 △H2= - 4 1 kJ•mol-1

近期报道，用二氧化碳作为氧化剂和甲烷重整制氢的新反应路线如下，可生成适宜 H2/ CO 的合成气。

③CH4 (g)+CO2 (g)⇌2CO(g)+2H2(g)　　 △H3

(1)下列措施最有利于提高反应③CH4的平衡转化率条件是______________。

A. 升高温度，同时对原料气进行加压　　　 B. 降低温度，同时对原料气进行加压

C. 升高温度，同时用氩气稀释原料气　　　 D. 降低温度，同时用氩气稀释原料气

(2)重整反应器中以上三个反应都在发生，不同反应条件下达到平衡时的进程如下：

I.根据图1，在_________ ( 填写反应条件）时CO2的转化率为负值，主要原因：一是 CO2稳定性较高，低浓度时难以和甲烷反应；二是 ___________。

II.根据图，2随着反应温度和反应物中的提高，体系中反应____填①、②、③）逐渐占据主导。若 850℃、为0.5时重整反应器中达到平衡时，体系中CO2和水蒸气浓度相等，求此条件下反应②的平衡常数K=__。

(3)固体氧化物电解池(传导O2-)将CO2 和H2O　 转化为n(H2):n(CO)=1的合成气并联产高纯度O2，写出电解池阴极反应式__________________。

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氢气是热量高、无污染的燃料，天然气储量丰富是理想的制氢原料，研究甲烷制氢具有重要的理论和现实意义。

（1）甲烷水蒸气重整制氢：CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H1=+216kJ•mol-1，温度1200k，压强0.2Mpa，水碳起始物质的量之比3:1，达到平衡时氢气的物质的量分数为0.3,甲烷转化率为____，Kp=____（Mpa）2 。理论上近似水碳比为____，氢气的物质的量分数将达到最大。　　

（2）①将甲烷水蒸气重整和甲烷氧化重整两种方法结合，理论上按照空气、甲烷、水蒸气约15:7：1体积比进料（空气中氧气体积分数约为0.2），可以实现反应器中能量自给（不需要补充热量）。

甲烷氧化重整制氢：2CH4（g）+O2（g）=2CO（g）+4H2（g） △H2=____kJ•mol-1

②实际生产中，空气、甲烷、水蒸气按照约1:1:2体积比进料，增加水蒸气的作用是____，还能发生____（用化学方程式表示）反应，从而获得更多的氢气。

（3）甲烷水蒸气重整过程中，温度1000K,原料气以57.6Kg•h-1通入容积为1L镍基催化反应器中，2-5s甲烷质量分数由7.32%变为5.32%，用甲烷表示2-5s的反应速率为____mol•min-1 ,随着反应的进行反应速率会急速下降，可能的原因是甲烷等高温不稳定，造成____。有人提出将甲烷水蒸气重整和甲烷氧化重整两种方法结合则能解决这个问题，原因是____。

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CH4和H2O在一定条件下, 可以转化为合成一系列有机化合物、氨的重要原料(CO+H2)，这种方法称作甲烷水蒸气重整法制合成气，其能量变化如图:

（1）甲烷水蒸气重整法制合成气的热化学方程式为_______；该反应只有在_____（填“高温”、“低温”或“常温”）才自发进行。

（2）下列有关甲烷水然气重整法制合成气的说法正确的是_____（填字母）。

A.相同条件下，该反应的逆反应更易发生

B.恒温恒容时充入一定量CO2，可促进CH4转化并可调节CO和H2的比例

C.若反应的高效催化剂为A，则A一定是CO和H2合成CH4的高效催化剂

D.恒温时向上述平衡体系中充入少量Ar，平衡一定不移动

E.有副反应：H2O+COCO2+H2

（3）在恒容密闭容器中充入2mol的CH4和H2O(g)混合气体，且CH4和H2O(g)的物质的量之比为x，相同温度下测得H2平衡产率与x的关系如图所示。请问a、b两点比较（填“>”、“<”、“=”）；CH4的转化率a点____b点，a点CH4的浓度_____b点H2O(g)的浓度，氢气的产率a点_____b点。

（4）当充入CH4和H2O(g)物质的量之比1:2.2时，温度、压强p对平衡时CO体积分数φ(CO)的影响如图，则压强由大到小的排序是_____；当T<450℃和T≥1000℃时，压强p对φ(CO)几乎无影响的原因是_____________________。

（5）在下图左室充入1molCH4和H2O(g)混合气体(物质的量之比为1:1)，恒温条件下反应建立平衡，测得CH4的转化率为50%，则其平衡常数为_________ 。

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CH4和H2O在一定条件下, 可以转化为合成一系列有机化合物、氨的重要原料(CO+H2)，这种方法称作甲烷水蒸气重整法制合成气，其能量变化如图:

（1）甲烷水蒸气重整法制合成气的热化学方程式为_______；该反应只有在_____（填“高温”、“低温”或“常温”）才自发进行。

（2）下列有关甲烷水然气重整法制合成气的说法正确的是_____（填字母）。

A.相同条件下，该反应的逆反应更易发生

B.恒温恒容时充入一定量CO2，可促进CH4转化并可调节CO和H2的比例

C.若反应的高效催化剂为A，则A一定是CO和H2合成CH4的高效催化剂

D.恒温时向上述平衡体系中充入少量Ar，平衡一定不移动

E.有副反应：H2O+COCO2+H2

（3）在恒容密闭容器中充入2mol的CH4和H2O(g)混合气体，且CH4和H2O(g)的物质的量之比为x，相同温度下测得H2平衡产率与x的关系如图所示。请问a、b两点比较（填“>”、“<”、“=”）；CH4的转化率a点____b点，a点CH4的浓度_____b点H2O(g)的浓度，氢气的产率a点_____b点。

（4）当充入CH4和H2O(g)物质的量之比1:2.2时，温度、压强p对平衡时CO体积分数φ(CO)的影响如图，则压强由大到小的排序是_____；当T<450℃和T≥1000℃时，压强p对φ(CO)几乎无影响的原因是_____________________。

（5）在下图左室充入1molCH4和H2O(g)混合气体(物质的量之比为1:1)，恒温条件下反应建立平衡，测得CH4的转化率为50%，则其平衡常数为_________ 。

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甲烷水蒸气重整制取的合成气可用于熔融碳酸盐燃料电池。

（1）制取合成气的反应为CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)H ＝＋206 kJ/mol。

向体积为2 L密闭容器中，按n(H2O)∶n(CH4)＝1投料：

a.保持温度为T1时，测得CH4(g)的浓度随时间变化曲线如图1所示。

b.其他条件相同时，在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下，反应相同时间后，CH4的转化率随反应温度的变化如图2所示。

①结合图1，写出反应达平衡的过程中的能量变化：______kJ。

②在图1中画出：起始条件相同，保持温度为T2(T2＞ T1)时， c(CH4)随时间的变化曲线______。

③根据图2判断：

ⅰ. a点所处的状态不是化学平衡状态，理由是_______。

ⅱ. CH4的转化率：c＞b，原因是________。

（2）熔融碳酸盐燃料电池的结构示意图如下。

①电池工作时，熔融碳酸盐中CO32-移向________(填“电极A”或“电极B”)

②写出正极上的电极反应：________。

（3）若不考虑副反应，1 kg甲烷完全转化所得到的合成气全部用于燃料电池中，外电路通过的电子的物质的量最大为_____mol。

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工业上制备合成气的工艺主要是水蒸气重整甲烷：CH₄(g) +H₂O(g)＝CO(g) +3H₂(g) △H＞0，在一定条件下，向体积为1L的密闭容器中充入1 mol CH₄ (g)和1mol H₂O(g)，测得H₂O(g)和H₂(g)的浓度随时间变化 曲线如图所示，下列说法正确的是

A.达平衡时,CH₄(        g)的转化率为75%

B.0～10 min 内，v(CO)＝0.075 mol•L^－1·min^-1

C.该反应的化学平衡常数K＝0.1875 mol•L^－1

D.当CH₄(g)的消耗速率与H₂O(g)的生成速率相等，反应到达平衡

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