Question

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）甲烷蒸汽轉化法制H₂的主要轉化反應如下：

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

上述反應所得原料氣中的CO能使氨合成催化劑中毒，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         。

（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）的關系如下圖所示：

汽氣比與CO平衡變換率的關系

析圖可知：

① 相同溫度時，CO平衡變換率與汽氣比的關系是      。

② 汽氣比相同時，CO平衡變換率與溫度的關系是      。

（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=         。隨溫度的降低，該平衡常數       （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如下：

（1）外電路電子流動方向：由   流向    （填字母）。

（2）空氣極發生反應的離子方程式是     。

（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      g 精銅析出。

 

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汽氣比越大CO平衡變化率越大    （1分）

②溫度越高CO平衡變化率越小      （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】

試題分析：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

加減消元，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由汽氣比與CO平衡變換率的關系圖，選取某一溫度，隨汽氣比增大，CO平衡變換率變大，故答案：汽氣比越大CO平衡變化率越大    （1分）

②在汽氣比與CO平衡變換率的關系圖中，將橫坐標汽氣比固定，作縱坐標的平行線，得：溫度越高CO平衡變化率越小 ，答案：溫度越高CO平衡變化率越小 （1分）

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

反應的△H=－41.2 kJ/mol，是放熱反應，降低溫度，平衡正向移動，平衡常數增大，答案：增大   （1分）

Ⅱ（1）外電路電子由負極移向正極，由Ａ流向Ｂ ，答案：由Ａ流向Ｂ（2分）

（2）空氣中氧氣作氧化劑，在碳酸鹽體系中，CO₂變成CO₃^2―,答案：O₂＋4e^- ＋2CO₂=2CO₃^2-     （2分）

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

考點：化學平衡，化學反應和能量、原電池、電解池