Question

水煤气变换[CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)]是重要的化工过程，主要用于合成氨、制氢以及合成气加工等工业领域中。回答下列问题：

（1）我国学者结合实验与计算机模拟结果，研究了在金催化剂表面上水煤气变换的反应历程，如图所示，其中吸附在金催化剂表面上的物种用标注。

该历程中决速步骤的化学方程式为__（方程式两边若有相同物料不用约简）。水煤气变换反应的热化学方程式为__。

（2）t₁℃时，密闭容器中，通入一定量的CO和H₂O，发生水煤气变换反应，容器中各物质浓度(单位：mol·L^-1)变化如下表所示：

时间(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

①一定处于平衡状态的时间段为__。

②5～6min时间段内，平衡移动方向为__(填“向左移动”或“向右移动”)，根据表中数据判断，平衡移动的原因是__(填字母编号)。

a.增加了H₂O(g)的量       b.增加氢气浓度      c.使用催化剂      d.降低温度

③t₂℃时(t₂＞t₁)，在相同条件下发生上述反应，达平衡时，CO浓度__c₁(填“＞”“＜”或“=”)。

（3）已知反应Fe(s)+CO₂(g)FeO(s)+CO(g)的平衡常数随温度变化情况如图所示：

①该反应是__(填“吸热”或“放热”)反应。

②若T₁时水煤气变换反应的平衡常数等于0.5，则T₁时FeO(s)+H₂(g)Fe(s)+H₂O(g)的平衡常数为__。

（4）水煤气可做燃料电池的燃料。一种熔融碳酸盐燃料电池的工作原理如图所示。电极A上H₂参与的电极反应为__。假设催化炉产生的CO与H₂物质的量之比为1︰2。电极A处产生的CO₂有部分参与循环利用，其利用率为__。

Answer

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

【解析】

(1)起始状态反应物的相对能量为0，最终状态生成物的相对能量为-0.72eV，反应物的能量高于生成物的能量，水煤气变换反应为放热反应，即ΔH小于0。该历程中两次能垒分别为1.59eV-(-0.32eV)=1.91eV，1.86eV-(-0.16eV)=2.02eV，最大能垒(活化能)E正=2.02eV。该步骤的反应物的相对能量为-0.16eV的物质：COOH+H+H2O，生成物为相对能量为1.41eV的物质：COOH+2H+OH，由此可得该步骤的化学方程式：COOH+H+H2O=COOH+2H+OH，水煤气变换反应的热化学方程式为CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) H=-0.72NAeV/mol。

(2)①从表格中数据分析，第3～4min时，体系中各物质的浓度不再变化，说明已经达到平衡状态；

②5min～6min时间段内，H2O的浓度增大，CO浓度减小，说明是增加了H2O的量，平衡正移，故答案为：向右移动；a；

③该反应的正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，CO转化率减小，则CO浓度＞c1,故答案为：＞；

(3)①升高温度化学平衡常数增大，说明Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g)为吸热反应，故答案为：吸热；

②T1时反应Fe(s)+CO2(g)FeO(s)+CO(g)的平衡常数K=2，即c(CO)/c(CO2)=2，若T1时水煤气变换反应的平衡常数等于0.5，即K=＝0.5，所以平衡时＝1，所以T1时FeO(s)+H2(g)Fe(s)+H2O(g)的平衡常数K=＝1；

(4)A为负极，负极上CO和H2被氧化生成二氧化碳和水，则电极A上前去参与的反应为：H2+CO32--2e-=H2O+CO2；假设催化炉产生的CO与H2物质的量分别为1mol、2mol，电极A处转移电子为6mol，产生的CO2为4mol，在阴极发生的电极反应为O2+2CO2+4e-=2CO32-，当转移6mol电子时，参与循环反应的CO2为3mol，参与循环的利用率==75。