Question

最近，我國大部分地區(qū)多次出現(xiàn)霧霾天氣，一個重要的原因是燃煤、機動車尾氣排放等，進行煤的綜合利用，使用清潔能源有利于減少環(huán)境污染．以下是對煤進行處理的方法：
（1）將水蒸氣通過紅熱的碳即可產(chǎn)生水煤氣，其反應為：
C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1，該反應在

 

下能自發(fā)進行（填“高溫”或“低溫”）；
（2）合成氨工業(yè)原料氣的來源之一水煤氣法，在催化劑存在條件下有下列反應：
H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g），控制反應條件CO轉(zhuǎn)化率隨氫碳比的變化如圖甲所示：

①該反應△H

 

0（填“＞”或“＜”）；
②對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），則該反應的K_P=

 

，提高

H2O(氣)

CO

比，則K_P

 

（填“變大”、“變小”或“不變”），實際上，在使用鐵鎂催化劑的工業(yè)流程中，一般采用400℃左右，H₂O（氣）：CO=3～5：1；其原因可能是

 

．
③將1mol CO和1mol H₂O（g）充入某固定容積的反應器，在某條件下達到平衡，此時有

2

3

的CO轉(zhuǎn)化為CO₂．在t₁時，再充入1mol H₂O（g），請在該圖乙中畫出t₁時刻后CO₂的體積分數(shù)變化趨勢曲線．
（3）用半水煤氣（CO、H₂）來合成甲醇汽油可以有效的減少汽車尾氣中CO的含量．如圖丙是甲醇燃料電池原理示意圖，回答下列問題：
電池的負極是

 

（填“a”或“b”）電極，該極的電極反應是：

 

．

Answer 1

考點：反應熱和焓變,化學電源新型電池,物質(zhì)的量或濃度隨時間的變化曲線,產(chǎn)物的百分含量隨濃度、時間的變化曲線

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)△G=△H-T△S判斷，△G＜0，反應自發(fā)進行；
（2）①結(jié)合圖象根據(jù)其他條件相同時，溫度升高，平衡向吸熱的方向移動；
②將化學平衡常數(shù)中的濃度c換成壓強P就可以得到K_P；根據(jù)平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與濃度無關(guān)；
投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，投料比太高，經(jīng)濟上不合算以及考慮催化劑的活性來解答；
③根據(jù)三段式解題法，求出平衡時各組分的物質(zhì)的量，求出平衡時CO₂的體積分數(shù)；假設(shè)加入1mol水蒸氣時平衡不移動，求出此時CO₂的體積分數(shù)，設(shè)1molCO完全轉(zhuǎn)化，求出CO₂的最大體積分數(shù)，從而得出CO₂ 體積分數(shù)范圍，最后作圖；
（3）根據(jù)燃料電池中燃料在負極發(fā)生反應，氧氣在正極發(fā)生反應；甲醇失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水．

解答： 解：（1）由熱化學反應方程式可知，該反應為焓增、熵增過程，即△H＞0、△S＞0，必須滿足△G=△H-T△S＜0反應才能自發(fā)進行，所以在高溫下能夠自發(fā)進行；
故答案為：高溫；
（2）①結(jié)合圖象可知，升高溫度，CO的轉(zhuǎn)化率降低，平衡逆向移動，而其他條件相同時，溫度升高，平衡向吸熱的方向移動，即正反應為放熱反應，△H＜0；
故答案為：＜；
②CH₄（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(zhì)的量濃度也可以表示平衡常數(shù)（記作K_p），反應的平衡常數(shù)=

P(CO2)P(H2)

P(CO)P(H2O)

；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，與濃度無關(guān)，所以提高

H2O(氣)

CO

比，則K_P不變；
故答案為：

P(CO2)P(H2)

P(CO)P(H2O)

；不變；
③由圖象可知，投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，而投料比3～5：1時轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高達到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經(jīng)濟上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右，所以一般采用400℃左右，H₂O（氣）：CO=3～5：1；
故答案為：投料比太低，CO的轉(zhuǎn)化率不太高，而投料比3～5：1時轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高達到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，這樣在在經(jīng)濟上不合算，催化劑的活性溫度在400℃左右；
③CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始（mol）：1        1        0       0
轉(zhuǎn)化（mol）：

2

3

       

2

3

      

2

3

      

2

3

 
平衡（mol）：

1

3

       

1

3

      

2

3

      

2

3

反應前后氣體的體積不變，所以平衡時，混合氣體的總的物質(zhì)的量為1mol+1mol=2mol，
所以平衡混合物中CO₂的體積分數(shù)為

2 3 mol

2mol

×100%=33.3%；
假設(shè)加入1mol 水蒸氣時平衡不移動，此時CO₂占

2 3 mol

3mol

=

2

9

即22.2%，設(shè)1molCO完全轉(zhuǎn)化，生成1molCO₂ 占

1mol

3mol

=

1

3

即33.3%，所以CO₂體積分數(shù)在22.2%～33.3%之間，要比原平衡低，圖象為：
；
答：t₁時刻后CO₂的體積分數(shù)變化趨勢曲線為：；
（3）由圖可知，在a極燃料甲醇發(fā)生反應，所以負極是a極；甲醇失電子和氫氧根離子反應生成碳酸根離子和水，電極反應為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：a；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點評：本題考查了反應的自發(fā)性、外界條件對化學平衡的影響、圖象分析判斷的方法、平衡三段法的計算、原電池原理的分析判斷和電極反應的分析判斷，掌握基礎(chǔ)是解題的關(guān)鍵，題目難度中等．