Question

最近，我国大部分地区多次出现雾霾天气，一个重要的原因是燃煤、机动车尾气排放等，进行煤的综合利用，使用清洁能源有利于减少环境污染．以下是对煤进行处理的方法：
（1）将水蒸气通过红热的碳即可产生水煤气，其反应为：
C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1，该反应在

 

下能自发进行（填“高温”或“低温”）；
（2）合成氨工业原料气的来源之一水煤气法，在催化剂存在条件下有下列反应：
H₂O（g）+CO（g）?CO₂（g）+H₂（g），控制反应条件CO转化率随氢碳比的变化如图甲所示：

①该反应△H

 

0（填“＞”或“＜”）；
②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（c_B）也可以表示平衡常数（记作K_P），则该反应的K_P=

 

，提高

H2O(气)

CO

比，则K_P

 

（填“变大”、“变小”或“不变”），实际上，在使用铁镁催化剂的工业流程中，一般采用400℃左右，H₂O（气）：CO=3～5：1；其原因可能是

 

．
③将1mol CO和1mol H₂O（g）充入某固定容积的反应器，在某条件下达到平衡，此时有

2

3

的CO转化为CO₂．在t₁时，再充入1mol H₂O（g），请在该图乙中画出t₁时刻后CO₂的体积分数变化趋势曲线．
（3）用半水煤气（CO、H₂）来合成甲醇汽油可以有效的减少汽车尾气中CO的含量．如图丙是甲醇燃料电池原理示意图，回答下列问题：
电池的负极是

 

（填“a”或“b”）电极，该极的电极反应是：

 

．

Answer 1

考点：反应热和焓变,化学电源新型电池,物质的量或浓度随时间的变化曲线,产物的百分含量随浓度、时间的变化曲线

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）根据△G=△H-T△S判断，△G＜0，反应自发进行；
（2）①结合图象根据其他条件相同时，温度升高，平衡向吸热的方向移动；
②将化学平衡常数中的浓度c换成压强P就可以得到K_P；根据平衡常数只与温度有关，与浓度无关；
投料比太低，CO的转化率不太高，投料比太高，经济上不合算以及考虑催化剂的活性来解答；
③根据三段式解题法，求出平衡时各组分的物质的量，求出平衡时CO₂的体积分数；假设加入1mol水蒸气时平衡不移动，求出此时CO₂的体积分数，设1molCO完全转化，求出CO₂的最大体积分数，从而得出CO₂ 体积分数范围，最后作图；
（3）根据燃料电池中燃料在负极发生反应，氧气在正极发生反应；甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水．

解答： 解：（1）由热化学反应方程式可知，该反应为焓增、熵增过程，即△H＞0、△S＞0，必须满足△G=△H-T△S＜0反应才能自发进行，所以在高温下能够自发进行；
故答案为：高温；
（2）①结合图象可知，升高温度，CO的转化率降低，平衡逆向移动，而其他条件相同时，温度升高，平衡向吸热的方向移动，即正反应为放热反应，△H＜0；
故答案为：＜；
②CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），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），反应的平衡常数=

P(CO2)P(H2)

P(CO)P(H2O)

；平衡常数只与温度有关，与浓度无关，所以提高

H2O(气)

CO

比，则K_P不变；
故答案为：

P(CO2)P(H2)

P(CO)P(H2O)

；不变；
③由图象可知，投料比太低，CO的转化率不太高，而投料比3～5：1时转化率已经很高达到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在在经济上不合算，催化剂的活性温度在400℃左右，所以一般采用400℃左右，H₂O（气）：CO=3～5：1；
故答案为：投料比太低，CO的转化率不太高，而投料比3～5：1时转化率已经很高达到96%～98%，再增加投料比，需要大大的增加蒸汽添加量，这样在在经济上不合算，催化剂的活性温度在400℃左右；
③CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始（mol）：1        1        0       0
转化（mol）：

2

3

       

2

3

      

2

3

      

2

3

 
平衡（mol）：

1

3

       

1

3

      

2

3

      

2

3

反应前后气体的体积不变，所以平衡时，混合气体的总的物质的量为1mol+1mol=2mol，
所以平衡混合物中CO₂的体积分数为

2 3 mol

2mol

×100%=33.3%；
假设加入1mol 水蒸气时平衡不移动，此时CO₂占

2 3 mol

3mol

=

2

9

即22.2%，设1molCO完全转化，生成1molCO₂ 占

1mol

3mol

=

1

3

即33.3%，所以CO₂体积分数在22.2%～33.3%之间，要比原平衡低，图象为：
；
答：t₁时刻后CO₂的体积分数变化趋势曲线为：；
（3）由图可知，在a极燃料甲醇发生反应，所以负极是a极；甲醇失电子和氢氧根离子反应生成碳酸根离子和水，电极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：a；CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评：本题考查了反应的自发性、外界条件对化学平衡的影响、图象分析判断的方法、平衡三段法的计算、原电池原理的分析判断和电极反应的分析判断，掌握基础是解题的关键，题目难度中等．