1、
碳氢化合物有多种,它们在工业生产、生活中有重要用途。
(1)石油危机日渐严重,甲烷的转化和利用在天然气化工行业有非常重要的作用。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-水蒸气重整,其反应为:CH4(g) + H2O(g) CO(g) + 3H2(g) ΔH>0
如图为反应压强为0.3 MPa,投料比n(H2O)/n(CH4)为1,在三种不同催化剂催化作用下,甲烷-水蒸气重整反应中CH4转化率随温度变化的关系。
下列说法正确的是________。
A.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Ⅰ>Ⅱ>Ⅲ
B.b点CH4的转化率高于a点,原因是b、a两点均未达到平衡状态,b点温度高,反应速率较快,故CH4的转化率较大
C.C点一定未达到平衡状态
D.催化剂只改变反应速率不改变平衡移动,所以在850℃时,不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下达平衡时CH4的转化率相同
(2) 乙炔(C2H2)在气焊、气割及有机合成中用途非常广泛,甲烷在1500℃左右气相裂解法生产,裂解反应:2CH4(g)=C2H2(g)+3H2(g)的△H= +376.4kJ/mol。
哈斯特研究得出当甲烷分解时,几种气体平衡时分压(Pa)与温度(℃)的关系如图所示。
①T1℃时,向1L恒容密闭容器中充入0.3 mol CH4只发生反应2CH4(g)C2H4(g)+2H2(g),达到平衡时,测得c(C2H4)=c(CH4)。该反应的△H____0(填“>”或“<”),CH4的平衡转化率为____%(保留3位有效数字)。上述平衡状态某一时刻,若改变温度至T2℃,CH4以0.01mol/(L·s)的平均速率增多,经ts后再次达到平衡,平衡时,c(CH4)=2c(C2H4),则T1_____(填“>”或“<”)T2,t=______s。
②由图可知,甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成,为提高甲烷制乙炔的转化率,除改变温度外,还可采取的措施有___________。
BD > 66.7% > 5 可以充入适量的乙烯(或采用选择性好的催化剂)
(1)根据催化剂能增大反应速率,降低活化能,但不影响化学平衡分析;平衡常数只与温度有关;
(2)①分解反应绝大多数为吸热反应;设出CH4的转化浓度,然后根据三段式,利用c(C2H4)=c(CH4)来解答;根据改变温度后,CH4的浓度升高来判断温度的变化;表示出变化后的CH4和C2H4的浓度,然后根据c(CH4)=2c(C2H4)来计算;
②甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成,为提高甲烷制乙炔的转化率,可以充入适量的乙烯。
(1)A.在相同条件下,转化率越高催化效率越高,根据图象可知,相同稳定性甲烷的转化率Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,则三种催化剂Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ的催化效率由高到低的顺序是Ⅲ>Ⅱ>Ⅰ,故A错误;
B.b、a两点均未达到平衡状态,温度越高反应速率较快,CH4的转化率较大,温度:b>a,则b点CH4的转化率高于a点,故B正确;
C.相同温度时c点甲烷转化率最高,此时可能达到平衡状态,故C错误;
D.催化剂不影响化学平衡,则850℃时,不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下达平衡时CH4的转化率相同,故D正确;
故答案为BD;
(2)①反应2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)为分解反应,而分解反应绝大多数为吸热反应,故此反应为吸热反应;
设CH4的转化浓度为Xmol/L,可知:
2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)
初始浓度(mol/L) 0.3 0 0
浓度变化(mol/L) x 0.5x x
平衡浓度(mol/L)(0.3-x) 0.5x x
根据c(C2H4)=c(CH4)可知:0.3-x=,解得x=0.2mol/L;
故CH4的平衡转化率=×100%=66.7%;
改变温度后,CH4的浓度升高,即平衡左移,即温度应为降低,即T1>T2;
由于CH4以0.01mol/(L•s)的平均速率增多,经ts后再次达到平衡,故在ts的时间内,CH4的浓度变化为0.01tmol/L,根据浓度的该变量之比等于计量数之比,利用三段式来计算:
2CH4(g)=C2H4(g)+2H2(g)
初始浓度(mol/L)0.1 0.1
浓度改变(mol/L)0.01t 0.005t
平衡浓度(mol/L)(0.1+0.01t) (0.1-0.005t)
由于c(CH4)=2c(C2H4),故有:0.1+0.01t=2×(0.1-0.005t),解得t=5s;
②甲烷裂解制乙炔有副产物乙烯生成,充入适量的乙烯,可抑制甲烷向乙烯的转化,从而提高甲烷制乙炔的转化率。
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