Question

【題目】甲烷水蒸氣重整制取的合成氣可用于熔融碳酸鹽燃料電池。

（1）制取合成氣的反應(yīng)為CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)H ＝＋206 kJ/mol。

向體積為2 L密閉容器中，按n(H2O)∶n(CH4)＝1投料：

a.保持溫度為T1時(shí)，測(cè)得CH4(g)的濃度隨時(shí)間變化曲線如圖1所示。

b.其他條件相同時(shí)，在不同催化劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下，反應(yīng)相同時(shí)間后，CH4的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖2所示。

①結(jié)合圖1，寫出反應(yīng)達(dá)平衡的過程中的能量變化：______kJ。

②在圖1中畫出：起始條件相同，保持溫度為T2(T2＞ T1)時(shí)， c(CH4)隨時(shí)間的變化曲線______。

③根據(jù)圖2判斷：

ⅰ. a點(diǎn)所處的狀態(tài)不是化學(xué)平衡狀態(tài)，理由是_______。

ⅱ. CH4的轉(zhuǎn)化率：c＞b，原因是________。

（2）熔融碳酸鹽燃料電池的結(jié)構(gòu)示意圖如下。

①電池工作時(shí)，熔融碳酸鹽中CO32-移向________(填“電極A”或“電極B”)

②寫出正極上的電極反應(yīng)：________。

（3）若不考慮副反應(yīng)，1 kg甲烷完全轉(zhuǎn)化所得到的合成氣全部用于燃料電池中，外電路通過的電子的物質(zhì)的量最大為_____mol。

Answer 1

【答案】吸收412(x-y) 催化劑不能改變物質(zhì)的平衡轉(zhuǎn)化率 750℃時(shí)，反應(yīng)相同時(shí)間，a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CH4的轉(zhuǎn)化率低于使用Ⅰ時(shí)CH4的轉(zhuǎn)化率 電極A O2+4e-+2CO2=2CO32- 500

【解析】

（1）①結(jié)合圖1，反應(yīng)的甲烷的物質(zhì)的量為（x-y）mol·L－1×2L=2(x-y)mol，反應(yīng)達(dá)平衡的過程中的能量變化：吸收2(x-y)mol×216kJ·mol－1=412(x-y)kJ。故答案為：吸收412(x-y)；

②起始條件相同，保持溫度為T2(T2＞ T1)時(shí)，由于是吸熱反應(yīng)，升高溫度，平衡正向移動(dòng)，平衡時(shí)甲烷的濃度降低，但反應(yīng)速率加快，平衡所用時(shí)間縮短， c(CH4)隨時(shí)間的變化曲線。故答案為：；

③根據(jù)圖2：ⅰ. a點(diǎn)所處的狀態(tài)不是化學(xué)平衡狀態(tài)，理由是催化劑不能改變物質(zhì)的平衡轉(zhuǎn)化率。故答案為：催化劑不能改變物質(zhì)的平衡轉(zhuǎn)化率；

ⅱ. CH4的轉(zhuǎn)化率：c＞b，原因是750℃時(shí)，反應(yīng)相同時(shí)間，a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CH4的轉(zhuǎn)化率低于使用Ⅰ時(shí)CH4的轉(zhuǎn)化率。故答案為：750℃時(shí)，反應(yīng)相同時(shí)間，a點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CH4的轉(zhuǎn)化率低于使用Ⅰ時(shí)CH4的轉(zhuǎn)化率；

（2）①氫氣和一氧化碳作還原劑，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極A是電池的負(fù)極，電池工作時(shí)，熔融碳酸鹽中陰離子CO32-移向負(fù)極，即電極A，故答案為：電極A；

②正極上氧化劑得電子，發(fā)生還原反應(yīng)，正極上的電極反應(yīng)：O2+4e-+2CO2=2CO32-。故答案為：O2+4e-+2CO2=2CO32-；

（3）若不考慮副反應(yīng)，1 kg甲烷完全轉(zhuǎn)化所得到的合成氣全部用于燃料電池中，最終轉(zhuǎn)化為CO2和水，甲烷中碳由-4價(jià)升高為+4價(jià)，氫化合價(jià)相當(dāng)于沒有變，外電路通過的電子的物質(zhì)的量最大為 =500mol。故答案為：500。