Question

【題目】水煤氣變換[CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)]是重要的化工過程，主要用于合成氨、制氫以及合成氣加工等工業領域中。回答下列問題：

（1）我國學者結合實驗與計算機模擬結果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應歷程，如圖所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用標注。

該歷程中決速步驟的化學方程式為__（方程式兩邊若有相同物料不用約簡）。水煤氣變換反應的熱化學方程式為__。

（2）t1℃時，密閉容器中，通入一定量的CO和H2O，發生水煤氣變換反應，容器中各物質濃度(單位：mol·L-1)變化如下表所示：

時間(min)	CO	H2O	CO2	H2
0	0.200	0.300	0	0
2	0.138	0.238	0.062	0.062
3	c1	c2	c3	c3
4	c1	c2	c3	c3
5	0.116	0.216	0.084
6	0.096	0.266	0.104

①一定處于平衡狀態的時間段為__。

②5～6min時間段內，平衡移動方向為__(填“向左移動”或“向右移動”)，根據表中數據判斷，平衡移動的原因是__(填字母編號)。

a.增加了H2O(g)的量 b.增加氫氣濃度 c.使用催化劑 d.降低溫度

③t2℃時(t2＞t1)，在相同條件下發生上述反應，達平衡時，CO濃度__c1(填“＞”“＜”或“=”)。

（3）已知反應Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g)的平衡常數隨溫度變化情況如圖所示：

①該反應是__(填“吸熱”或“放熱”)反應。

②若T1時水煤氣變換反應的平衡常數等于0.5，則T1時FeO(s)+H2(g)Fe(s)+H2O(g)的平衡常數為__。

（4）水煤氣可做燃料電池的燃料。一種熔融碳酸鹽燃料電池的工作原理如圖所示。電極A上H2參與的電極反應為__。假設催化爐產生的CO與H2物質的量之比為1︰2。電極A處產生的CO2有部分參與循環利用，其利用率為__。

Answer 1

【答案】COOH+H+H2O=COOH+2H+OH CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H=-0.72NAeV/mol 3min～4min 向右移動 a ＞ 吸熱 1 H2+CO32--2e-=H2O+CO2 75%

【解析】

(1)起始狀態反應物的相對能量為0，最終狀態生成物的相對能量為-0.72eV，反應物的能量高于生成物的能量，水煤氣變換反應為放熱反應，即ΔH小于0。該歷程中兩次能壘分別為1.59eV-(-0.32eV)=1.91eV，1.86eV-(-0.16eV)=2.02eV，最大能壘(活化能)E正=2.02eV。該步驟的反應物的相對能量為-0.16eV的物質：COOH+H+H2O，生成物為相對能量為1.41eV的物質：COOH+2H+OH，由此可得該步驟的化學方程式：COOH+H+H2O=COOH+2H+OH，水氣變換反應的熱化學方程式為CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H=-0.72NAeV/mol。

(2)①從表格中數據分析，第3～4min時，體系中各物質的濃度不再變化，說明已經達到平衡狀態；

②5min～6min時間段內，H2O的濃度增大，CO濃度減小，說明是增加了H2O的量，平衡正移，故答案為：向右移動；a；

③該反應的正反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，CO轉化率減小，則CO濃度＞c1,故答案為：＞；

(3)①升高溫度化學平衡常數增大，說明Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g)為吸熱反應，故答案為：吸熱；

②T1時反應Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g)的平衡常數K=2，即c(CO)/c(CO2)=2，若T1時水煤氣變換反應的平衡常數等于0.5，即K=＝0.5，所以平衡時＝1，所以T1時FeO(s)+H2(g)Fe(s)+H2O(g)的平衡常數K=＝1；

(4)A為負極，負極上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水，則電極A上前去參與的反應為：H2+CO32--2e-=H2O+CO2；假設催化爐產生的CO與H2物質的量分別為1mol、2mol，電極A處轉移電子為6mol，產生的CO2為4mol，在陰極發生的電極反應為O2+2CO2+4e-=2CO32-，當轉移6mol電子時，參與循環反應的CO2為3mol，參與循環的利用率==75。