Question

14．利用甲烷超干重整CO₂技术可得到富含CO的气体，将甲烷和二氧化碳转化为可利用的化学品，其能源和环境上的双重意义重大．该技术中的化学反应为：CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）△H＞0
CH₄超干重整CO₂的催化转化原理示意如图2：

（4）过程Ⅱ，实现了含氢物种与含碳物种的分离．生成H₂O（g）的化学方程式是4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O．
（5）假设过程I和过程Ⅱ中的各步均转化完全，下列说法正确的是a c．（（填序号）
a．过程Ⅰ和过程Ⅱ中均含有氧化还原反应
b．过程Ⅱ中使用的催化剂为Fe₃O₄ 和CaCO₃
c．若过程I投料$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（C{O}_{2}）}$=1，可导致过程Ⅱ中催化剂失效
（6）一定条件下，向体积为2L的恒容密闭容器中充入1.2mol CH₄（g）和4.8mol CO₂（g），发生反应CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）△H＞0，实验测得，反应吸收的能量和甲烷的体积分数随时间变化的曲线图象如图1．计算该条件下，此反应的△H=+330 kJ/mol．

Answer 1

分析 （4）过程Ⅱ，实现了含氢物种与含碳物种的分离．生成H₂O，反应物为氢气和四氧化三铁，生成物为铁和水；
（5）a．氧化还原反应的特征是元素化合价的升降，根据过程Ⅰ和过程Ⅱ发生的反应判断；
b．催化剂参与化学反应，但在反应前后质量和化学性质保持不变；
c．过程Ⅱ中催化剂为CaO，若过程I投料$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（C{O}_{2}）}$=1，与催化剂反应的二氧化碳不存在，催化剂失效；
（6）20秒时，达到平衡，甲烷的体积分数为$\frac{1}{8}$，能量变化为118.8KJ，根据三段式计算△H．

解答 解：（4）过程I：CH₄+CO₂（g）$\stackrel{Ni}{?}$2H₂（g）+2CO，过程Ⅱ：实现了含氢物种与含碳物种的分离，氢气和四氧化三铁反应：4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O，
故答案为：4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O；
（5）a．过程I：CH₄+CO₂（g）$\stackrel{Ni}{?}$2H₂（g）+2CO，碳、氢元素化合价发生变化，属于氧化还原反应，过程Ⅱ：4H₂+Fe₃O₄$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$3Fe+4H₂O，氢、铁元素化合价发生变化，属于氧化还原反应，过程I和过程Ⅱ中均含有氧化还原反应，故a正确；
b．过程Ⅱ中使用的Fe₃O₄ 为反应物，不属于催化剂，故b错误；
c．若过程I投料$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（C{O}_{2}）}$=1，CH₄+CO₂（g）$\stackrel{Ni}{?}$2H₂（g）+2CO，催化剂CaO在过程Ⅱ中没有二氧化碳与之反应，催化剂失效，故c正确；
故答案为：a c；
（6）由图可知：20秒时，达到平衡，甲烷的体积分数为$\frac{1}{8}$，能量变化为118.8KJ，设变化的甲烷物质的量为x，
                     CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）
始（mol ）     1.2             4.8
变（mol ）         x             3x               2x              4x           
终（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）参加反应能量变化为118.8KJ，则1mol CH₄（g）能量变化为330 kJ，则CH₄（g）+3CO₂（g）?2H₂O（g）+4CO（g）△H＞0，△H=+330 kJ/mol，
故答案为：+330 kJ/mol．

点评 本题考查了利用甲烷超干重整CO₂技术，侧重考查了化学平衡有关知识，注意催化剂的特征，注意读图，（6）为该题的难点，试题总体难度中等．