18.在碳中和背景下,氫能是新能源領(lǐng)域中與油氣行業(yè)現(xiàn)有業(yè)務(wù)結(jié)合最緊密的一類,而制氫成本過高,仍是目前氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的挑戰(zhàn)之一、甲烷水蒸氣重整制氫是目前工業(yè)制氫最為成熟的方法,涉及的主要反應(yīng)如下:
反應(yīng)Ⅰ.CH4+H2O?CO+3H2 ΔH1>0
反應(yīng)Ⅱ.CH4(g)+2H2O(g)?CO2(g)+4H2(g)ΔH2>0
反應(yīng)Ⅲ.CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g)ΔH3
(1)已知部分化學(xué)鍵的鍵能數(shù)據(jù)如下表:
化學(xué)鍵 |
O-H |
H-H |
C=O |
C≡O(shè)(CO) |
鍵能/(kJ?mol-1) |
463 |
436 |
803 |
1075 |
則ΔH
3=
,若反應(yīng)Ⅲ的正反應(yīng)活化能E
a(正)=83kJ?mol
-1,則逆反應(yīng)活化能(逆)=
kJ?mol
-1。
(2)①恒溫條件下,在體積不變的密閉容器中充入1molCO(g)和2molH
2O(g),發(fā)生反應(yīng)Ⅲ,欲使CO的轉(zhuǎn)化率和H
2的產(chǎn)率同時(shí)提高,可以采取的措施有
。
②已知比表面積是指單位質(zhì)量物料所具有的總面積。實(shí)驗(yàn)表明,向體系中投入CaO固體可以增大H
2的體積分?jǐn)?shù),選用相同質(zhì)量、不同粒徑的CaO固體進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí),結(jié)果如圖甲所示。投入微米級CaO比納米級CaO,H
2的平衡體積分?jǐn)?shù)低的原因是
。
③在一恒容絕熱容器中以物質(zhì)的量之比1:2投入CO(g)和H
2O(g),發(fā)生反應(yīng)Ⅲ,下列物理量不再改變能說明該反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)的是
(填字母)。
A.H
2體積百分含量
B.體系溫度
C.CO與H
2O的物質(zhì)的量之比
D.混合氣體密度
(3)不同壓強(qiáng)下,按照n(CH
4):n(H
2O)=1:3投料發(fā)生上述三個(gè)反應(yīng),CH
4的平衡轉(zhuǎn)化率α(CH
4)隨溫度的變化關(guān)系如圖乙所示。
壓強(qiáng)p
1、p
2、p
3由大到小的順序是
,CH
4的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而增大的原因是
。
(4)一定溫度下,向2L容器中充入1molCH
4(g)和3molH
2O,tmin后反應(yīng)達(dá)到平衡,容器中CO為mmol,CO
2為nmol。則tmin內(nèi)CH
4的消耗速率為
mol?L
-1?min
-1,反應(yīng)Ⅲ的壓強(qiáng)平衡常數(shù)K
p
。(用含m,n,t的代數(shù)式表示)