Question

某項目小組為解決新型燃料電池的氫源，開展了柴油自熱重整制氫項目研究．他們將柴油模擬成C₁₀H₂₁，并用3個獨立反應描述柴油自熱重整制氫反應過程：
（i）2C₁₀H₂₁（g）+20H₂O（g）═20CO（g）+41H₂（g）△H=+500kJ?moL^-1
（ii）2C₁₀H_2l（g）+10O₂（g）═20CO（g）+21H₂（g）△H=-200kJ?moL^-1
（iii）CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=+50kJ?moL^-1
請你參與項目小組的研究，并回答下列問題．
（1）熱化學研究
①若要使該反應體系中的（i）和（ii）兩反應熱量達到平衡，反應時加入的柴油、水和氧氣的物質的量比為

 

．
②若起始時，柴油、水和氧氣的物質的量比為2：30：5，反應產物只有二氧化碳和氫氣，則上述反應的總反應的熱化學方程式為

 

．
（2）熱力學研究
一定溫度下，反應（iii）的平衡常數為1．若在該溫度下，密閉容器中CO、H₂O、CO₂和H₂的起始濃度分別為1mol?L^-1、4mol?L^-1、3mol?L^-1、2mol?L^-1，則反應開始時，此反應將向

 

（填“正”或“逆”）反應方向移動，以達到平衡狀態．
（3）反應條件的實驗研究
①為尋找上述反應的催化劑合適溫度，進行了如下研究：將同物質的量比的柴油、水、氧氣分別等量通人催化劑中，測得催化劑床層人口溫度與反應生成混合氣中氫氣的體積分數的關系如圖1．據此選擇該反應較適宜的溫度應為

 

，理由是

 

．

②實驗中，項目小組得到如圖2的實驗結果，圖中氧碳摩爾比是指通人的氧氣中氧元素和柴油中碳元素的物質的量比．則此實驗的目的是

 

．
③為比較圖3和圖4兩種反應器的制氫效益，請設計一個實驗方案（要求簡單敘述實驗方法和所需測定的數據）．答：

 

．

Answer 1

分析：（1）①反應達到平衡的實質是反應i和反應ii焓變數值相同，依據（i）×2=（ii）×5計算得到柴油、水和氧氣的物質的量比；
②設物質的量C₁₀H_2l=2X，H₂O=30X，O₂=5X，前兩個反應方程式各產生CO₂ 和H₂物質的量多少，然后第三反應方程式消耗CO₂物質的量多少，最后按原子守恒得到熱化學方程式；
（2）依據反應的濃度商和平衡常數大小進行比較分析判斷反應進行方向，Q_C＜K，反應正向進行，Q_C＞K，反應逆向進行；
（3）①650℃氫氣的體積分數較大，溫度升高對生成氫氣含量的增加較少； 該溫度下，制氫效益較好，再提高溫度制氫效益增加有限，且能量消耗大；
②研究氧碳摩爾比與制氫效率的關系；或研究制氫效益最高的氧碳摩爾比；
③在催化劑床層溫度相同時，將同物質的量比的柴油、水、氧氣分別等量通入A、B兩種反應器中，測量反應產物氣體中氫氣的體積分數

解答：解：（1）①（i）2C₁₀H₂₁（g）+20H₂O（g）═20CO（g）+41H₂（g）△H=+500kJ?moL^-1
（ii）2C₁₀H_2l（g）+10O₂（g）═20CO（g）+21H₂（g）△H=-200kJ?moL^-1
反應達到平衡，吸熱反應和放熱反應能量變化相同，則依據（i）×2=（ii）×5得到：
14C₁₀H₂₁（g）+40H₂O（g）+50O₂（g）═140CO（g）+187H₂（g）△H=0，反應達到平衡；
則柴油、水和氧氣的物質的量比=14：40：50=7：20：25；
故答案為：7：20：25；
②設物質的量C₁₀H_2l=2X，H₂O=30X，O₂=5X，前兩個反應方程式各產生CO₂ 和H₂物質的量多少，然后第三反應方程式消耗CO₂物質的量多少，計算得到熱化學方程式為：2C₁₀H_2l（g）+30H₂O（g）+5O₂（g）═20CO₂（g）+5l H₂（g）△H=+1150kJ?mol^-1；
故答案為：2C₁₀H_2l（g）+30H₂O（g）+5O₂（g）═20CO₂（g）+5l H₂（g）△H=+1150kJ?mol^-1；
（2）一定溫度下，反應（iii）的平衡常數為1，（iii）CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=+50kJ?moL^-1
若在該溫度下，密閉容器中CO、H₂O、CO₂和H₂的起始濃度分別為1mol?L^-1、4mol?L^-1、3mol?L^-1、2mol?L^-1，濃度商Qc=

3×2

1×4

=1.5＞K，則反應開始時向逆向進行；
故答案為：逆；
（3）①分析圖中曲線的變化分析，650℃時氫氣的體積分數較大，溫度升高對生成氫氣含量的增加較少，所以該溫度下，制氫效益較好，再提高溫度制氫效益增加有限，且能量消耗大；
故答案為：650℃；該溫度下，制氫效益較好，再提高溫度制氫效益增加有限，且能量消耗大；
②圖2分析曲線變化，橫軸和縱軸的意義可知，是研究氧碳摩爾比與制氫效率的關系；或研究制氫效益最高的氧碳摩爾比；
故答案為：研究氧碳摩爾比與制氫效率的關系；或研究制氫效益最高的氧碳摩爾比；
③為比較圖3和圖4兩種反應器的制氫效益，需要在相同條件下進行比較，測定生成氫氣的體積來比較制氫氣的效益，方案設計為：在催化劑床層溫度相同時，將同物質的量比的柴油、水、氧氣分別等量通入A、B兩種反應器中，測量反應產物氣體中氫氣的體積分數；
故答案為：在催化劑床層溫度相同時，將同物質的量比的柴油、水、氧氣分別等量通入A、B兩種反應器中，測量反應產物氣體中氫氣的體積分數；

點評：本題考查了熱化學方程式書寫、蓋斯定律的應用、Q-K關系對化學平衡移動的影響、實驗設計，要求考生注意對反應條件的控制，同時考查學生節能的意識，掌握基礎，培養閱讀能力的提高和理解是解題關鍵，題目難度中等．