登录
8. 天然气的综合利用是重要的研究课题。
天然气是重要的化石燃料和能源，主要成分是甲烷$\ce{(CH_{4})}$，还含有少量硫化氢$\ce{(H_{2}S)}$等气体。硫化氢在催化剂作用下与甲烷反应，其反应微观示意图如图甲所示。
利用甲烷催化制取氢气。一种甲烷水蒸气催化制氢气的透氢膜反应器如图乙所示，通入的甲烷和水蒸气在高温和催化剂作用下反应生成一氧化碳和氢气(该反应是吸热反应)，一部分氢气通过透氢膜与膜外侧通入的氧气反应。
利用甲烷在高温和Cu-Pd催化作用下分解可制取新型碳单质材料——石墨烯，石墨烯具有很高的强度和优良的导电性能。
(1)甲烷完全燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的化学方程式为________。
(2)结合图甲，分析甲烷与硫化氢的反应。
①产物“
”中，碳元素和硫元素的质量比为________(填最简整数比)。
②该反应过程中变化的是________(填字母)。
A. 分子的数目
B. 原子的种类
C. 物质的总质量
(3)结合图乙，分析甲烷水蒸气催化制氢反应。
①甲烷水蒸气催化制氢反应的化学方程式为________。
②在反应器的膜外侧通入氧气的主要目的是________。
(4)下列说法正确的是________(填字母)。
A. 天然气属于纯净物
B. 天然气和氢气均属于可再生能源
C. 透氢膜反应器内生成的一氧化碳和氢气未被完全分离
D. 石墨烯具有优良的导电性能，是一种金属单质
天然气是重要的化石燃料和能源，主要成分是甲烷$\ce{(CH_{4})}$，还含有少量硫化氢$\ce{(H_{2}S)}$等气体。硫化氢在催化剂作用下与甲烷反应，其反应微观示意图如图甲所示。
利用甲烷催化制取氢气。一种甲烷水蒸气催化制氢气的透氢膜反应器如图乙所示，通入的甲烷和水蒸气在高温和催化剂作用下反应生成一氧化碳和氢气(该反应是吸热反应)，一部分氢气通过透氢膜与膜外侧通入的氧气反应。
利用甲烷在高温和Cu-Pd催化作用下分解可制取新型碳单质材料——石墨烯，石墨烯具有很高的强度和优良的导电性能。
(1)甲烷完全燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的化学方程式为________。
(2)结合图甲，分析甲烷与硫化氢的反应。
①产物“
”中，碳元素和硫元素的质量比为________(填最简整数比)。②该反应过程中变化的是________(填字母)。
A. 分子的数目
B. 原子的种类
C. 物质的总质量
(3)结合图乙，分析甲烷水蒸气催化制氢反应。
①甲烷水蒸气催化制氢反应的化学方程式为________。
②在反应器的膜外侧通入氧气的主要目的是________。
(4)下列说法正确的是________(填字母)。
A. 天然气属于纯净物
B. 天然气和氢气均属于可再生能源
C. 透氢膜反应器内生成的一氧化碳和氢气未被完全分离
D. 石墨烯具有优良的导电性能，是一种金属单质
答案
解：
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}}CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) ① $3:16$
② A
(3) ① $\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[\mathrm{高温}]{\mathrm{催化剂}} CO + 3H_{2}}$
② 氢气与氧气反应放出热量，为制氢的吸热反应提供所需的热量，维持反应的高温条件
(4) C
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}}CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) ① $3:16$
② A
(3) ① $\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[\mathrm{高温}]{\mathrm{催化剂}} CO + 3H_{2}}$
② 氢气与氧气反应放出热量，为制氢的吸热反应提供所需的热量，维持反应的高温条件
(4) C
解析
【分析】
1. 第(1)问：甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水，需依据反应事实和质量守恒定律配平化学方程式，明确反应条件为点燃。
2. 第(2)问：①根据元素守恒确定甲烷与硫化氢反应的产物，再计算产物中碳、硫元素的质量比；②结合质量守恒定律，分析化学反应中原子种类、物质总质量、分子数目的变化情况。
3. 第(3)问：①根据题目给出的反应物、生成物及反应条件，配平甲烷水蒸气制氢的化学方程式；②结合制氢反应为吸热反应，分析膜外侧通入氧气的作用（利用氢气与氧气反应放热，维持反应所需高温）。
4. 第(4)问：逐一分析选项，结合天然气成分、能源分类、透氢膜特性、石墨烯类别判断正误。
【解析】
(1) 甲烷完全燃烧，反应物为$\ce{CH_{4}}$和$\ce{O_{2}}$，生成物为$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}}CO_{2} + 2H_{2}O}$。
(2) ①甲烷与硫化氢反应，根据元素守恒，产物为$\ce{CS_{2}}$和$\ce{H_{2}}$，碳元素与硫元素的质量比为$12:(32×2)=3:16$；②化学反应前后原子种类、物质总质量不变，分子数目发生改变，故选A。
(3) ①甲烷水蒸气催化制氢，反应物为$\ce{CH_{4}}$和$\ce{H_{2}O}$，生成物为$\ce{CO}$和$\ce{H_{2}}$，反应条件为催化剂、高温，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[\mathrm{高温}]{\mathrm{催化剂}} CO + 3H_{2}}$；②制氢反应为吸热反应，氢气与氧气反应放出热量，为制氢反应提供所需热量，维持反应的高温条件。
(4) A选项：天然气含甲烷、硫化氢等，属于混合物，错误；B选项：天然气是化石能源，不可再生，错误；C选项：透氢膜仅允许部分氢气通过，反应器内仍有$\ce{CO}$和剩余氢气，未完全分离，正确；D选项：石墨烯是碳单质，属于非金属单质，错误，故选C。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}}CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) ① $3:16$；② A
(3) ① $\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[\mathrm{高温}]{\mathrm{催化剂}} CO + 3H_{2}}$；② 氢气与氧气反应放出热量，为制氢的吸热反应提供所需的热量，维持反应的高温条件
(4) C
【知识点】
化学方程式书写、质量守恒定律、化学反应与能量
【点评】
本题围绕天然气的综合利用展开，综合考查化学方程式书写、质量守恒定律应用、能源分类及物质性质等知识点，需学生结合题目信息和微观示意图分析，注重知识的综合应用，难度适中。
【难度系数】
0.6
1. 第(1)问：甲烷完全燃烧生成二氧化碳和水，需依据反应事实和质量守恒定律配平化学方程式，明确反应条件为点燃。
2. 第(2)问：①根据元素守恒确定甲烷与硫化氢反应的产物，再计算产物中碳、硫元素的质量比；②结合质量守恒定律，分析化学反应中原子种类、物质总质量、分子数目的变化情况。
3. 第(3)问：①根据题目给出的反应物、生成物及反应条件，配平甲烷水蒸气制氢的化学方程式；②结合制氢反应为吸热反应，分析膜外侧通入氧气的作用（利用氢气与氧气反应放热，维持反应所需高温）。
4. 第(4)问：逐一分析选项，结合天然气成分、能源分类、透氢膜特性、石墨烯类别判断正误。
【解析】
(1) 甲烷完全燃烧，反应物为$\ce{CH_{4}}$和$\ce{O_{2}}$，生成物为$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}}CO_{2} + 2H_{2}O}$。
(2) ①甲烷与硫化氢反应，根据元素守恒，产物为$\ce{CS_{2}}$和$\ce{H_{2}}$，碳元素与硫元素的质量比为$12:(32×2)=3:16$；②化学反应前后原子种类、物质总质量不变，分子数目发生改变，故选A。
(3) ①甲烷水蒸气催化制氢，反应物为$\ce{CH_{4}}$和$\ce{H_{2}O}$，生成物为$\ce{CO}$和$\ce{H_{2}}$，反应条件为催化剂、高温，配平后化学方程式为：$\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[\mathrm{高温}]{\mathrm{催化剂}} CO + 3H_{2}}$；②制氢反应为吸热反应，氢气与氧气反应放出热量，为制氢反应提供所需热量，维持反应的高温条件。
(4) A选项：天然气含甲烷、硫化氢等，属于混合物，错误；B选项：天然气是化石能源，不可再生，错误；C选项：透氢膜仅允许部分氢气通过，反应器内仍有$\ce{CO}$和剩余氢气，未完全分离，正确；D选项：石墨烯是碳单质，属于非金属单质，错误，故选C。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{\mathrm{点燃}}CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) ① $3:16$；② A
(3) ① $\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[\mathrm{高温}]{\mathrm{催化剂}} CO + 3H_{2}}$；② 氢气与氧气反应放出热量，为制氢的吸热反应提供所需的热量，维持反应的高温条件
(4) C
【知识点】
化学方程式书写、质量守恒定律、化学反应与能量
【点评】
本题围绕天然气的综合利用展开，综合考查化学方程式书写、质量守恒定律应用、能源分类及物质性质等知识点，需学生结合题目信息和微观示意图分析，注重知识的综合应用，难度适中。
【难度系数】
0.6
