Question

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）甲烷蒸汽转化法制H₂的主要转化反应如下：

CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)    ΔH = +206.2 kJ/mol

CH₄(g) + 2H₂O(g)  CO₂(g) +4H₂(g)   ΔH = +165.0kJ/mol

上述反应所得原料气中的CO能使氨合成催化剂中毒，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         。

（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）的关系如下图所示：

汽气比与CO平衡变换率的关系

析图可知：

① 相同温度时，CO平衡变换率与汽气比的关系是      。

② 汽气比相同时，CO平衡变换率与温度的关系是      。

（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=         。随温度的降低，该平衡常数       （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如下：

（1）外电路电子流动方向：由   流向    （填字母）。

（2）空气极发生反应的离子方程式是     。

（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      g 精铜析出。

 

Answer 1

【答案】

（12分）

Ⅰ（1）CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)  　ΔH = －41.2 kJ/mol   （2分）

（2）①汽气比越大CO平衡变化率越大    （1分）

②温度越高CO平衡变化率越小      （1分）

（3） K_ｐ=  （1分）  

增大   （1分）

Ⅱ（1）由Ａ流向Ｂ  （2分）

（2）O₂＋4e^- ＋2CO₂=2CO₃^2-     （2分）

（3）19.2   （2分）

【解析】

试题分析：Ⅰ（1）①CH₄(g) + H₂O(g)  CO(g) + 3H₂(g)    ΔH₁ = +206.2 kJ/mol

②CH₄(g) + 2H₂O(g)  CO₂(g) +4H₂(g)   ΔH₂ = +165.0kJ/mol

加减消元，②―①得ΔH =ΔH₂―ΔH₁=165.0kJ/mol―206.2 kJ/mol=－41.2 kJ/mol,答案：CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)  　ΔH = －41.2 kJ/mol   （2分）

（2）①由汽气比与CO平衡变换率的关系图，选取某一温度，随汽气比增大，CO平衡变换率变大，故答案：汽气比越大CO平衡变化率越大    （1分）

②在汽气比与CO平衡变换率的关系图中，将横坐标汽气比固定，作纵坐标的平行线，得：温度越高CO平衡变化率越小 ，答案：温度越高CO平衡变化率越小 （1分）

（3）由方程式CO(g)＋H₂O(g)  CO₂(g)＋H₂(g)得K_ｐ=  ，答案： K_ｐ=  （1分） 

反应的△H=－41.2 kJ/mol，是放热反应，降低温度，平衡正向移动，平衡常数增大，答案：增大   （1分）

Ⅱ（1）外电路电子由负极移向正极，由Ａ流向Ｂ ，答案：由Ａ流向Ｂ（2分）

（2）空气中氧气作氧化剂，在碳酸盐体系中，CO₂变成CO₃^2―,答案：O₂＋4e^- ＋2CO₂=2CO₃^2-     （2分）

（3）由关系式Cu^2＋ ＋2e^―=Cu得m(Cu)=0.6mol/2×64g·mol^-1=19.2g,答案：19.2   （2分）

考点：化学平衡，化学反应和能量、原电池、电解池