Question

14．利用甲烷超干重整CO₂技術(shù)可得到富含CO的氣體，將甲烷和二氧化碳轉(zhuǎn)化為可利用的化學(xué)品，其能源和環(huán)境上的雙重意義重大．該技術(shù)中的化學(xué)反應(yīng)為：CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）△H＞0
CH₄超干重整CO₂的催化轉(zhuǎn)化原理示意如圖2：

（4）過程Ⅱ，實(shí)現(xiàn)了含氫物種與含碳物種的分離．生成H₂O（g）的化學(xué)方程式是4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O．
（5）假設(shè)過程I和過程Ⅱ中的各步均轉(zhuǎn)化完全，下列說法正確的是a c．（（填序號(hào)）
a．過程Ⅰ和過程Ⅱ中均含有氧化還原反應(yīng)
b．過程Ⅱ中使用的催化劑為Fe₃O₄ 和CaCO₃
c．若過程I投料$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（C{O}_{2}）}$=1，可導(dǎo)致過程Ⅱ中催化劑失效
（6）一定條件下，向體積為2L的恒容密閉容器中充入1.2mol CH₄（g）和4.8mol CO₂（g），發(fā)生反應(yīng)CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）△H＞0，實(shí)驗(yàn)測(cè)得，反應(yīng)吸收的能量和甲烷的體積分?jǐn)?shù)隨時(shí)間變化的曲線圖象如圖1．計(jì)算該條件下，此反應(yīng)的△H=+330 kJ/mol．

Answer 1

分析 （4）過程Ⅱ，實(shí)現(xiàn)了含氫物種與含碳物種的分離．生成H₂O，反應(yīng)物為氫氣和四氧化三鐵，生成物為鐵和水；
（5）a．氧化還原反應(yīng)的特征是元素化合價(jià)的升降，根據(jù)過程Ⅰ和過程Ⅱ發(fā)生的反應(yīng)判斷；
b．催化劑參與化學(xué)反應(yīng)，但在反應(yīng)前后質(zhì)量和化學(xué)性質(zhì)保持不變；
c．過程Ⅱ中催化劑為CaO，若過程I投料$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（C{O}_{2}）}$=1，與催化劑反應(yīng)的二氧化碳不存在，催化劑失效；
（6）20秒時(shí)，達(dá)到平衡，甲烷的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{1}{8}$，能量變化為118.8KJ，根據(jù)三段式計(jì)算△H．

解答 解：（4）過程I：CH₄+CO₂（g）$\stackrel{Ni}{?}$2H₂（g）+2CO，過程Ⅱ：實(shí)現(xiàn)了含氫物種與含碳物種的分離，氫氣和四氧化三鐵反應(yīng)：4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O，
故答案為：4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O；
（5）a．過程I：CH₄+CO₂（g）$\stackrel{Ni}{?}$2H₂（g）+2CO，碳、氫元素化合價(jià)發(fā)生變化，屬于氧化還原反應(yīng)，過程Ⅱ：4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O，氫、鐵元素化合價(jià)發(fā)生變化，屬于氧化還原反應(yīng)，過程I和過程Ⅱ中均含有氧化還原反應(yīng)，故a正確；
b．過程Ⅱ中使用的Fe₃O₄ 為反應(yīng)物，不屬于催化劑，故b錯(cuò)誤；
c．若過程I投料$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（C{O}_{2}）}$=1，CH₄+CO₂（g）$\stackrel{Ni}{?}$2H₂（g）+2CO，催化劑CaO在過程Ⅱ中沒有二氧化碳與之反應(yīng)，催化劑失效，故c正確；
故答案為：a c；
（6）由圖可知：20秒時(shí)，達(dá)到平衡，甲烷的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{1}{8}$，能量變化為118.8KJ，設(shè)變化的甲烷物質(zhì)的量為x，
                     CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）
始（mol ）     1.2             4.8
變（mol ）         x             3x               2x              4x           
終（mol ）1.2-x               4.8-3x           2x              4x

$\frac{1.2-x}{1.2-x+4.8-3x+2x+4x}$=$\frac{1}{8}$，解得x=0.36，0.36mol CH₄（g）參加反應(yīng)能量變化為118.8KJ，則1mol CH₄（g）能量變化為330 kJ，則CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）△H＞0，△H=+330 kJ/mol，
故答案為：+330 kJ/mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了利用甲烷超干重整CO₂技術(shù)，側(cè)重考查了化學(xué)平衡有關(guān)知識(shí)，注意催化劑的特征，注意讀圖，（6）為該題的難點(diǎn)，試題總體難度中等．