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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能源，主要成分为甲烷$\ce{(CH_{4})}$,还含有少量硫化氢$\ce{(H_{2}S)}$等气体。一种甲烷水蒸气催化制氢的透氢膜反应器如图所示,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、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)甲烷充分燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的化学方程式为
(2)结合图示,分析甲烷和水蒸气制氢反应。
①甲烷和水蒸气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
(3)下列说法正确的是
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$\ce{CO}$与$\ce{H_{2}}$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能源，主要成分为甲烷$\ce{(CH_{4})}$,还含有少量硫化氢$\ce{(H_{2}S)}$等气体。一种甲烷水蒸气催化制氢的透氢膜反应器如图所示,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、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)甲烷充分燃烧生成$\ce{CO_{2}}$和$\ce{H_{2}O}$的化学方程式为
$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃}CO_{2} + 2H_{2}O}$
。(2)结合图示,分析甲烷和水蒸气制氢反应。
①甲烷和水蒸气制氢反应的化学方程式为
$\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$
。②在反应器的膜外侧通入氧气的主要目的是
$\ce{H_{2}}$与$\ce{O_{2}}$反应放热,为制氢提供热量
。(3)下列说法正确的是
C
(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$\ce{CO}$与$\ce{H_{2}}$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
8.(1)$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃}CO_{2} + 2H_{2}O}$ (2)①$\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$ ②$\ce{H_{2}}$与$\ce{O_{2}}$反应放热,为制氢提供热量 (3)C 点拨:(2)①由题图可知,甲烷和水蒸气在高温和催化剂条件下反应生成一氧化碳和氢气。②该反应是吸热反应,要使该反应顺利进行,应提供反应所需热量,$\ce{H_{2}}$与$\ce{O_{2}}$反应放热,可以为制氢提供热量。(3)天然气的主要成分是甲烷,还含有其他物质,属于混合物,A错误;天然气属于化石能源,短期内不能再生,B错误;一氧化碳和氢气均是气体,透氢膜反应器内生成的CO与H₂混合在一起,未被完全分离,C正确;石墨烯是由碳元素组成的纯净物,属于非金属单质,D错误。
解析
【分析】
本题围绕天然气综合利用展开，需结合化学反应原理、物质分类等知识解题：
1. 第(1)问：甲烷充分燃烧的反应，根据反应物、生成物及反应条件，结合原子守恒配平化学方程式。
2. 第(2)①问：根据题目信息，确定甲烷与水蒸气反应的反应物、生成物和反应条件，再配平得到化学方程式；②问：该制氢反应为吸热反应，需热量维持，结合膜外侧氢气与氧气反应放热的特点分析目的。
3. 第(3)问：逐一分析选项，结合天然气成分、能源分类、物质分离、石墨烯的类别判断正误。
【解析】
(1) 甲烷充分燃烧时，与氧气在点燃条件下反应生成二氧化碳和水，根据原子守恒配平：$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃}CO_{2} + 2H_{2}O}$。
(2) ① 由题目信息可知，甲烷和水蒸气在催化剂、高温条件下反应生成一氧化碳和氢气，配平后化学方程式为$\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$；
② 制氢反应为吸热反应，需要吸收热量才能进行，膜外侧的$\ce{H_{2}}$与$\ce{O_{2}}$反应会放出热量，可为制氢反应提供所需的热量，维持反应持续进行。
(3) 选项分析：
A. 天然气主要成分为甲烷，还含少量硫化氢等物质，属于混合物，错误；
B. 天然气是化石能源，短期内无法再生，属于不可再生能源，错误；
C. 从图示可知，反应器出口得到$\ce{CO}$、$\ce{H_{2}}$等混合气体，说明二者未被完全分离，正确；
D. 石墨烯由碳元素组成，属于非金属单质，错误；因此选C。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃}CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) ① $\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$；② $\ce{H_{2}}$与$\ce{O_{2}}$反应放热，为制氢反应提供热量
(3) C
【知识点】
化学方程式书写、物质分类、能源分类
【点评】
本题结合透氢膜反应器的原理，考查化学方程式书写、物质类别判断等基础知识点，注重知识在实际生产中的应用，难度适中。
【难度系数】
0.6
本题围绕天然气综合利用展开，需结合化学反应原理、物质分类等知识解题：
1. 第(1)问：甲烷充分燃烧的反应，根据反应物、生成物及反应条件，结合原子守恒配平化学方程式。
2. 第(2)①问：根据题目信息，确定甲烷与水蒸气反应的反应物、生成物和反应条件，再配平得到化学方程式；②问：该制氢反应为吸热反应，需热量维持，结合膜外侧氢气与氧气反应放热的特点分析目的。
3. 第(3)问：逐一分析选项，结合天然气成分、能源分类、物质分离、石墨烯的类别判断正误。
【解析】
(1) 甲烷充分燃烧时，与氧气在点燃条件下反应生成二氧化碳和水，根据原子守恒配平：$\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃}CO_{2} + 2H_{2}O}$。
(2) ① 由题目信息可知，甲烷和水蒸气在催化剂、高温条件下反应生成一氧化碳和氢气，配平后化学方程式为$\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$；
② 制氢反应为吸热反应，需要吸收热量才能进行，膜外侧的$\ce{H_{2}}$与$\ce{O_{2}}$反应会放出热量，可为制氢反应提供所需的热量，维持反应持续进行。
(3) 选项分析：
A. 天然气主要成分为甲烷，还含少量硫化氢等物质，属于混合物，错误；
B. 天然气是化石能源，短期内无法再生，属于不可再生能源，错误；
C. 从图示可知，反应器出口得到$\ce{CO}$、$\ce{H_{2}}$等混合气体，说明二者未被完全分离，正确；
D. 石墨烯由碳元素组成，属于非金属单质，错误；因此选C。
【答案】
(1) $\ce{CH_{4} + 2O_{2}\xlongequal{点燃}CO_{2} + 2H_{2}O}$
(2) ① $\ce{CH_{4} + H_{2}O\xlongequal[高温]{催化剂}CO + 3H_{2}}$；② $\ce{H_{2}}$与$\ce{O_{2}}$反应放热，为制氢反应提供热量
(3) C
【知识点】
化学方程式书写、物质分类、能源分类
【点评】
本题结合透氢膜反应器的原理，考查化学方程式书写、物质类别判断等基础知识点，注重知识在实际生产中的应用，难度适中。
【难度系数】
0.6
