Question

20．科学家开发出一种“洁净煤技术”，通过向地下煤层“气化炉”中交替鼓入空气和水蒸气的方法，连续产出高热值的煤炭气，其主要成分是CO和H₂．“气化炉”中主要反应有：
C（s）+H₂O（g）═CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
（1）气化炉中CO₂与C反应转化为CO，该反应的热化学方程式是C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H=+172.5kJ•mol^-1．
（2）用煤炭气合成甲醇的反应为CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．在密闭容器中，将CO和H₂按物质的量1：2混合反应，CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图所示．

①生成甲醇的反应为放热反应（填“放热”或“吸热”）．
②图中两条曲线分别表示压强为0.1MPa和5.0MPa下CO转化率随温度的变化，其中代表压强是5.0MPa的曲线是A（填“A”或“B”）．
③在不改变反应物用量的前提下，为提高CO转化率可采取的措施有降温或加压（答出一种即可）．
④压强为0.1MPa、温度为200℃时，平衡混合气中甲醇的物质的量分数是25%．
（3）某新型电池以熔融碳酸盐作电解质，在650℃下工作，负极通入煤炭气，正极通入空气与CO₂的混合气．电池的正极反应式为O₂+2CO₂+4e^-═2CO₃^2-，负极反应式为CO+CO₃^2--2e^-═2CO₂和H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂．

Answer 1

分析 （1）利用盖斯定律，结合已知的热化学方程式，
C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3 kJ•mol^-1      ①
CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ•mol^-1       ②
①-②得到C（s）+CO₂（g）=2CO（g），利用盖斯定律解答；
（2）温度升高，CO的转化率降低，说明升高温度平衡向逆反应方向移动；增大压强，平衡向正反应方向移动，则CO的转化率增大；结合图象，利用三段式法解答该题；
（3）煤炭气的主要成分为CO₂和H₂，在燃料电池中，负极通入燃料，正极通入氧气，熔融碳酸盐作电解质，所以正极反应式为O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，负极反应式为CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂和H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂．

解答 解：（1）已知：①C（s）+H₂O（g）=CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ•mol^-1，②CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1，
利用盖斯定律将①-②可得C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H=+172.5 kJ•mol^-1，
故答案为：C（s）+CO₂（g）=2CO（g）△H=+172.5 kJ•mol^-1；
（2）①由图象可知，随温度的升高其转化率降低，说明升温时平衡逆向移动，正反应放热，
故答案为：放热；
②从方程式可知，反应物有3mol气体，生成物有2mol气体，所以压强增大时平衡气体体积减小的方向移动，即正向移动，在200℃时，转化率高的压强大，
故答案为：A；
③增大反应物的转化率，即要使平衡向正向移动，而影响平衡移动的因素只有三个，温度、压强、浓度，本题只能是降温或加压，
故答案为：降温或加压；
④设加入COamol，则有H₂2amol
　　　　　　　　CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．
反应前（mol） 　a 　　　2a 　　　　　0
反应了（mol） 0.5a 　　a 　　　　　0.5a
平衡时（mol） 0.5a　　 a 　　　　　0.5a
可求得：$\frac{0.5a}{0.5a+a+0.5a}$×100%=25%
故答案为：25%．
（3）煤炭气的主要成分为CO₂和H₂，在燃料电池中，负极通入燃料，正极通入氧气，熔融碳酸盐作电解质，所以正极反应式为O₂+2CO₂+4e^-=2CO₃^2-，负极反应式为CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂和H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂．故答案为：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂．

点评 本题考查了热化学方程式和盖斯定律的计算应用，影响平衡的因素分析判断以及原电池的工作原理知识，化学平衡移动原理是解题关键，题目难度中等，考查了学生的识图能力以及基础知识灵活运用的能力．