Question

19．天然氣（以甲烷計）在工業生產中用途廣泛．

Ⅰ．在制備合成氨原料氣H₂中的應用
（1）甲烷蒸氣轉化法制H₂的主要轉化反應如下：
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
上述反應所得原料氣中的CO能使合成氨催化劑中毒，必須除去．工業上常采用催化劑存在下CO與水蒸氣反應生成易除去的CO₂，同時又可制得等體積的氫氣的方法．此反應稱為一氧化碳變換反應，該反應的熱化學方程式是CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol．
（2）CO變換反應的汽氣比（水蒸氣與原料氣中CO物質的量之比）與CO平衡變換率（已轉化的一氧化碳量與變換前一氧化碳量之比）的關系如圖1所示：
析圖可知：
①相同溫度時，CO平衡變換率與汽氣比的關系是汽氣比越大CO平衡變化率越大．
②汽氣比相同時，CO平衡變換率與溫度的關系是：溫度越高CO平衡變化率越小．
（3）對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強（p_B）代替物質的量濃度也可以表示平衡常數（記作K_p），則CO變換反應的平衡常數表示式為K_p=$\frac{P（C{O}_{2}）•P（{H}_{2}）}{P（CO）•P（{H}_{2}O）}$．隨溫 度的降低，該平衡常數增大（填“增大”“減小”或“不變”）．
Ⅱ．在熔融碳酸鹽燃料電池中的應用
以熔融Li₂CO₃和K₂CO₃為電解質，天然氣經內重整催化作用提供反應氣的燃料電池示意圖2如下：
（1）外電路電子流動方向：由A流向B（填字母）．
（2）空氣極發生反應的離子方程式是O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-．
（3）以此燃料電池為電源電解精煉銅，當電路有0.6 mol e^-轉移，有19.2 g 精銅析出．

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到所需熱化學方程式；
（2）依據圖象中曲線的變化分析存在的變化規律，采取定一議二的方法分析歸納；
（3）將化學平衡常數中的濃度c換成壓強P就可以得到K_P；反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向進行；
Ⅱ．該燃料電池中，通入甲烷的一極為原電池的負極，發生氧化反應，電極反應式為CH₄-8e^-+4CO₃^2-=5CO₂+2H₂O，通入空氣和CO₂的混合氣體一極為原電池的正極，發生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
（1）原電池原理分析，電子流向是從負極流向正極，裝置中A為負極，B為正極，所以外電路電子流向為A流向B；
（2）空氣極是氧氣得到電子，生成碳酸根離子的反應；
（3）依據電子守恒結合電極反應計算得到；

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
依據蓋斯定律計算②-①得到：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol；
故答案為：CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2 kJ/mol；
（2）①依據圖象曲線變化分析可知，溫度一定，汽氣比越大CO平衡變化率越大；
故答案為：汽氣比越大CO平衡變化率越大；
②汽氣比相同時，圖象分析可知，CO平衡變換率與溫度的關系是，溫度越高，CO平衡變化率越小；
故答案為：溫度越高CO平衡變化率越小；
（3）CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強（p_B）代替物質的量濃度也可以表示平衡常數（記作K_p），反應的平衡常數=$\frac{P（C{O}_{2}）•P（{H}_{2}）}{P（CO）•P（{H}_{2}O）}$；反應是放熱反應，升高溫度平衡向吸熱反應方向移動，平衡逆向進行，平衡常數增大；
故答案為：$\frac{P（C{O}_{2}）•P（{H}_{2}）}{P（CO）•P（{H}_{2}O）}$； 增大；
Ⅱ．（1）原電池原理分析，電子流向是從負極流向正極，裝置中A為負極，B為正極，所以外電路電子流向為A流向B；
故答案為：A；B；
（2）原電池正極上的電極反應式為O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-，
故答案為：O₂+4e^-+2CO₂=2CO₃^2-；
（3）電解精煉銅，陰極上銅離子得到電子生成銅，電極反應Cu²⁺+2e^-=Cu，當電路有0.6mol e^-轉移反應生成銅0.3mol，質量=0.3mol×64g/mol=19.2 g；
故答案為：19.2．

點評 本題考查了熱化學方程式書寫，圖象分析判斷的方法應用，原電池原理的分析判斷和電極反應的分析判斷，題目難度中等，掌握基礎是解題的關鍵，試題培養了學生的分析能力及靈活應用能力．