Question

19．天然气（以甲烷计）在工业生产中用途广泛．

Ⅰ．在制备合成氨原料气H₂中的应用
（1）甲烷蒸气转化法制H₂的主要转化反应如下：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2 kJ/mol
CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0 kJ/mol
上述反应所得原料气中的CO能使合成氨催化剂中毒，必须除去．工业上常采用催化剂存在下CO与水蒸气反应生成易除去的CO₂，同时又可制得等体积的氢气的方法．此反应称为一氧化碳变换反应，该反应的热化学方程式是CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol．
（2）CO变换反应的汽气比（水蒸气与原料气中CO物质的量之比）与CO平衡变换率（已转化的一氧化碳量与变换前一氧化碳量之比）的关系如图1所示：
析图可知：
①相同温度时，CO平衡变换率与汽气比的关系是汽气比越大CO平衡变化率越大．
②汽气比相同时，CO平衡变换率与温度的关系是：温度越高CO平衡变化率越小．
（3）对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强（p_B）代替物质的量浓度也可以表示平衡常数（记作K_p），则CO变换反应的平衡常数表示式为K_p=$\frac{P（C{O}_{2}）•P（{H}_{2}）}{P（CO）•P（{H}_{2}O）}$．随温 度的降低，该平衡常数增大（填“增大”“减小”或“不变”）．
Ⅱ．在熔融碳酸盐燃料电池中的应用
以熔融Li₂CO₃和K₂CO₃为电解质，天然气经内重整催化作用提供反应气的燃料电池示意图2如下：
（1）外电路电子流动方向：由A流向B（填字母）．
（2）空气极发生反应的离子方程式是O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-．
（3）以此燃料电池为电源电解精炼铜，当电路有0.6 mol e^-转移，有19.2 g 精铜析出．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（2）依据图象中曲线的变化分析存在的变化规律，采取定一议二的方法分析归纳；
（3）将化学平衡常数中的浓度c换成压强P就可以得到K_P；反应是放热反应，升高温度平衡逆向进行；
Ⅱ．该燃料电池中，通入甲烷的一极为原电池的负极，发生氧化反应，电极反应式为CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O，通入空气和CO₂的混合气体一极为原电池的正极，发生还原反应，电极反应式为O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
（1）原电池原理分析，电子流向是从负极流向正极，装置中A为负极，B为正极，所以外电路电子流向为A流向B；
（2）空气极是氧气得到电子，生成碳酸根离子的反应；
（3）依据电子守恒结合电极反应计算得到；

解答 解：Ⅰ．（1）①CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ/mol
②CH₄（g）+2H₂O（g）?CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kJ/mol
依据盖斯定律计算②-①得到：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol；
故答案为：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol；
（2）①依据图象曲线变化分析可知，温度一定，汽气比越大CO平衡变化率越大；
故答案为：汽气比越大CO平衡变化率越大；
②汽气比相同时，图象分析可知，CO平衡变换率与温度的关系是，温度越高，CO平衡变化率越小；
故答案为：温度越高CO平衡变化率越小；
（3）CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强（p_B）代替物质的量浓度也可以表示平衡常数（记作K_p），反应的平衡常数=$\frac{P（C{O}_{2}）•P（{H}_{2}）}{P（CO）•P（{H}_{2}O）}$；反应是放热反应，升高温度平衡向吸热反应方向移动，平衡逆向进行，平衡常数增大；
故答案为：$\frac{P（C{O}_{2}）•P（{H}_{2}）}{P（CO）•P（{H}_{2}O）}$； 增大；
Ⅱ．（1）原电池原理分析，电子流向是从负极流向正极，装置中A为负极，B为正极，所以外电路电子流向为A流向B；
故答案为：A；B；
（2）原电池正极上的电极反应式为O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
故答案为：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
（3）电解精炼铜，阴极上铜离子得到电子生成铜，电极反应Cu²⁺+2e^-=Cu，当电路有0.6mol e^-转移反应生成铜0.3mol，质量=0.3mol×64g/mol=19.2 g；
故答案为：19.2．

点评 本题考查了热化学方程式书写，图象分析判断的方法应用，原电池原理的分析判断和电极反应的分析判断，题目难度中等，掌握基础是解题的关键，试题培养了学生的分析能力及灵活应用能力．