Question

10．氫氣作為高效、潔凈的二次能源，將成為未來(lái)社會(huì)的主要能源之一．甲烷重整是一種被廣泛使用的制氫工藝．
Ⅰ．甲烷水蒸氣重整制氫氣的主要原理：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206kJ•mol^-1…①
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ•mol^-1…②
（1）反應(yīng)①的平衡常數(shù)的表達(dá)式K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$．
（2）有研究小組通過應(yīng)用軟件AsepnPlus實(shí)現(xiàn)了對(duì)甲烷水蒸氣重整制氫系統(tǒng)的模擬，研究了控制水反應(yīng)水碳比，在不同溫度下反應(yīng)器RI中操作壓力變化對(duì)氫氣產(chǎn)率的影響，其數(shù)據(jù)結(jié)果如圖1所示：

①請(qǐng)根據(jù)圖象，闡述在一定壓力條件下溫度與氫氣產(chǎn)率的關(guān)系，并說(shuō)明原因升高溫度，主要反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，平衡向吸熱的正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的產(chǎn)率提高；
②在實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中，操作壓力一般控制在2.0-2.8MPa之間，其主要原因是反應(yīng)在低壓下，有利氫氣的產(chǎn)率提高，但反應(yīng)速率慢，效益低，壓強(qiáng)大，對(duì)設(shè)備材料強(qiáng)度要求高．
Ⅱ．甲烷二氧化碳重整
（3）近年來(lái)有科學(xué)家提出高溫下利用CO₂對(duì)甲烷蒸汽進(jìn)行重整，既可以制氫也可以減少CO₂排放緩解溫室效應(yīng)，其主要原理為CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g），該反應(yīng)的△H=+247kJ•mol^-1．經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)該工藝與Ⅰ相比，主要問題在于反應(yīng)過程中更容易形成積碳而造成催化劑失活，請(qǐng)用化學(xué)方程式表示形成積碳的原因CH₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$C+2H₂．
Ⅲ．甲烷水蒸氣重整的應(yīng)用
（4）甲烷水蒸氣重整的一個(gè)重要應(yīng)用是將甲烷水蒸氣重整后的合成氣作為熔融碳酸鹽燃料電池的原料，其工作原理如圖2：
①寫出該電池的負(fù)極反應(yīng)方程式H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；
②該電池中可循環(huán)利用的物質(zhì)有CO₂、H₂O；
③若該燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率為70%，則當(dāng)1g甲烷蒸汽通入電池時(shí)，理論上外電路可以產(chǎn)生33712C（庫(kù)侖）的電量．（電子電量為1.6×10^-19C）

Answer 1

分析 Ⅰ．（1）化學(xué)平衡常數(shù)為生成物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪乘積的比值；
（2）①依據(jù)勒夏特列原理分析；
②根據(jù)可逆CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206kJ•mol^-1…①、CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41kJ•mol^-1…②進(jìn)行分析，應(yīng)在低壓反應(yīng)有利氫氣的產(chǎn)率提高，但反應(yīng)速率慢，效益低，壓強(qiáng)大，對(duì)設(shè)備強(qiáng)度要求高，故選擇操作壓力一般控制在2.0-2.8MPa之間為宜；
Ⅱ．（3）根據(jù)蓋斯定律：反應(yīng)①-反應(yīng)②可以得到反應(yīng)CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H，在高溫下，甲烷易分解成碳；
Ⅲ．（4）①負(fù)極上CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水；
②負(fù)極反應(yīng)式為CH₄+4CO₃^2--8e^-=2H₂O+5CO₂，根據(jù)圖知，二氧化碳有使電池穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持恒定作用，該電池中可循環(huán)利用的物質(zhì)有
③根據(jù)電極反應(yīng)式結(jié)合電子轉(zhuǎn)移情況計(jì)算．

解答 解：Ⅰ．（1）化學(xué)平衡常數(shù)為生成物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪乘積的比值，則化學(xué)平衡常數(shù)為K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，
故答案為：K=$\frac{c（CO）•{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$；
（2）①升高溫度，主要反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，平衡向吸熱的正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的產(chǎn)率提高；
故答案為：升高溫度，主要反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，平衡向吸熱的正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的產(chǎn)率提高；
②反應(yīng)在低壓下，有利氫氣的產(chǎn)率提高，但反應(yīng)速率慢，效益低，壓強(qiáng)大，對(duì)設(shè)備材料強(qiáng)度要求高，故選擇操作壓力一般控制在2.0-2.8MPa之間為宜；
故答案為：反應(yīng)在低壓下，有利氫氣的產(chǎn)率提高，但反應(yīng)速率慢，效益低，壓強(qiáng)大，對(duì)設(shè)備材料強(qiáng)度要求高；
Ⅱ．（3）根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=41KJ•mol^-1+206KJ•mol^-1=+247KJ•mol^-1，在高溫下，甲烷易分解成碳，
故答案為：+247•mol^-1；CH₄$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$C+2H₂；
Ⅲ．（4）①負(fù)極上CO和H₂被氧化生成二氧化碳和水，電極A反應(yīng)為：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂，
故答案為：H₂+CO₃^2--2e^-=H₂O+CO₂，CO+CO₃^2--2e^-=2CO₂；
②負(fù)極反應(yīng)式為CH₄+4CO₃^2--8e^-=2H₂O+5CO₂，根據(jù)圖知，二氧化碳有使電池穩(wěn)定運(yùn)行，電池的電解質(zhì)組成應(yīng)保持恒定作用，該電池中可循環(huán)利用的物質(zhì)有CO₂、H₂O，
故答案為：CO₂、H₂O．
③當(dāng)1g甲烷蒸汽通入電池時(shí)，根據(jù)電極反應(yīng)：CH₄+4CO₃^2--8e^-=2H₂O+5CO₂，理論上通過導(dǎo)線的電子的數(shù)目為$\frac{1g}{16g/mol}$×8×6.02×10²³×70%×1.6×10^-19C=33712C，故答案為：33712．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式書寫、化學(xué)平衡的移動(dòng)，化學(xué)電源新型電池，明確原電池中物質(zhì)得失電子、電子流向、離子流向即可解答，難點(diǎn)是電極反應(yīng)式書寫，要根據(jù)電解質(zhì)確定正負(fù)極產(chǎn)物，難度中等題目難度