Question

10．氢气作为高效、洁净的二次能源，将成为未来社会的主要能源之一．甲烷重整是一种被广泛使用的制氢工艺．
Ⅰ．甲烷水蒸气重整制氢气的主要原理：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206kJ•mol^-1…①
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ•mol^-1…②
（1）反应①的平衡常数的表达式K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$．
（2）有研究小组通过应用软件AsepnPlus实现了对甲烷水蒸气重整制氢系统的模拟，研究了控制水反应水碳比，在不同温度下反应器RI中操作压力变化对氢气产率的影响，其数据结果如图1所示：

①请根据图象，阐述在一定压力条件下温度与氢气产率的关系，并说明原因升高温度，主要反应是吸热反应，平衡向吸热的正反应方向移动，氢气的产率提高；
②在实际工业生产中，操作压力一般控制在2.0-2.8MPa之间，其主要原因是反应在低压下，有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备材料强度要求高．
Ⅱ．甲烷二氧化碳重整
（3）近年来有科学家提出高温下利用CO₂对甲烷蒸汽进行重整，既可以制氢也可以减少CO₂排放缓解温室效应，其主要原理为CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），该反应的△H=+247kJ•mol^-1．经研究发现该工艺与Ⅰ相比，主要问题在于反应过程中更容易形成积碳而造成催化剂失活，请用化学方程式表示形成积碳的原因CH₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$C+2H₂．
Ⅲ．甲烷水蒸气重整的应用
（4）甲烷水蒸气重整的一个重要应用是将甲烷水蒸气重整后的合成气作为熔融碳酸盐燃料电池的原料，其工作原理如图2：
①写出该电池的负极反应方程式H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；
②该电池中可循环利用的物质有CO₂、H₂O；
③若该燃料电池的能量转化效率为70%，则当1g甲烷蒸汽通入电池时，理论上外电路可以产生33712C（库仑）的电量．（电子电量为1.6×10^-19C）

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值；
（2）①依据勒夏特列原理分析；
②根据可逆CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206kJ•mol^-1…①、CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ•mol^-1…②进行分析，应在低压反应有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备强度要求高，故选择操作压力一般控制在2.0-2.8MPa之间为宜；
Ⅱ．（3）根据盖斯定律：反应①-反应②可以得到反应CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H，在高温下，甲烷易分解成碳；
Ⅲ．（4）①负极上CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水；
②负极反应式为CH₄+4CO₃^2--8e^-=2H₂O+5CO₂，根据图知，二氧化碳有使电池稳定运行，电池的电解质组成应保持恒定作用，该电池中可循环利用的物质有
③根据电极反应式结合电子转移情况计算．

解答 解：Ⅰ．（1）化学平衡常数为生成物浓度系数次幂的乘积与反应物浓度系数次幂乘积的比值，则化学平衡常数为K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，
故答案为：K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$；
（2）①升高温度，主要反应是吸热反应，平衡向吸热的正反应方向移动，氢气的产率提高；
故答案为：升高温度，主要反应是吸热反应，平衡向吸热的正反应方向移动，氢气的产率提高；
②反应在低压下，有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备材料强度要求高，故选择操作压力一般控制在2.0-2.8MPa之间为宜；
故答案为：反应在低压下，有利氢气的产率提高，但反应速率慢，效益低，压强大，对设备材料强度要求高；
Ⅱ．（3）根据盖斯定律，反应CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=41KJ•mol^-1+206KJ•mol^-1=+247KJ•mol^-1，在高温下，甲烷易分解成碳，
故答案为：+247•mol^-1；CH₄$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$C+2H₂；
Ⅲ．（4）①负极上CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，电极A反应为：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂，
故答案为：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；
②负极反应式为CH₄+4CO₃^2--8e^-=2H₂O+5CO₂，根据图知，二氧化碳有使电池稳定运行，电池的电解质组成应保持恒定作用，该电池中可循环利用的物质有CO₂、H₂O，
故答案为：CO₂、H₂O．
③当1g甲烷蒸汽通入电池时，根据电极反应：CH₄+4CO₃^2--8e^-=2H₂O+5CO₂，理论上通过导线的电子的数目为$\frac{1g}{16g/mol}$×8×6.02×10²³×70%×1.6×10^-19C=33712C，故答案为：33712．

点评 本题考查了化学平衡常数表达式书写、化学平衡的移动，化学电源新型电池，明确原电池中物质得失电子、电子流向、离子流向即可解答，难点是电极反应式书写，要根据电解质确定正负极产物，难度中等题目难度