Question

甲烷水蒸气重整制取的合成气可用于熔融碳酸盐燃料电池。

（1）制取合成气的反应为CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)H ＝＋206 kJ/mol。

向体积为2 L密闭容器中，按n(H₂O)∶n(CH₄)＝1投料：

a.保持温度为T₁时，测得CH₄(g)的浓度随时间变化曲线如图1所示。

b.其他条件相同时，在不同催化剂(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下，反应相同时间后，CH₄的转化率随反应温度的变化如图2所示。

①结合图1，写出反应达平衡的过程中的能量变化：______kJ。

②在图1中画出：起始条件相同，保持温度为T₂(T₂＞ T₁)时， c(CH₄)随时间的变化曲线______。

③根据图2判断：

ⅰ. a点所处的状态不是化学平衡状态，理由是_______。

ⅱ. CH₄的转化率：c＞b，原因是________。

（2）熔融碳酸盐燃料电池的结构示意图如下。

①电池工作时，熔融碳酸盐中CO₃^2-移向________(填“电极A”或“电极B”)

②写出正极上的电极反应：________。

（3）若不考虑副反应，1 kg甲烷完全转化所得到的合成气全部用于燃料电池中，外电路通过的电子的物质的量最大为_____mol。

Answer

吸收412(x-y) 催化剂不能改变物质的平衡转化率 750℃时，反应相同时间，a点对应的CH4的转化率低于使用Ⅰ时CH4的转化率 电极A O2+4e-+2CO2=2CO32- 500

【解析】

（1）①结合图1，反应的甲烷的物质的量为（x-y）mol·L－1×2L=2(x-y)mol，反应达平衡的过程中的能量变化：吸收2(x-y)mol×216kJ·mol－1=412(x-y)kJ。故答案为：吸收412(x-y)；

②起始条件相同，保持温度为T2(T2＞ T1)时，由于是吸热反应，升高温度，平衡正向移动，平衡时甲烷的浓度降低，但反应速率加快，平衡所用时间缩短， c(CH4)随时间的变化曲线。故答案为：；

③根据图2：ⅰ. a点所处的状态不是化学平衡状态，理由是催化剂不能改变物质的平衡转化率。故答案为：催化剂不能改变物质的平衡转化率；

ⅱ. CH4的转化率：c＞b，原因是750℃时，反应相同时间，a点对应的CH4的转化率低于使用Ⅰ时CH4的转化率。故答案为：750℃时，反应相同时间，a点对应的CH4的转化率低于使用Ⅰ时CH4的转化率；

（2）①氢气和一氧化碳作还原剂，发生氧化反应，电极A是电池的负极，电池工作时，熔融碳酸盐中阴离子CO32-移向负极，即电极A，故答案为：电极A；

②正极上氧化剂得电子，发生还原反应，正极上的电极反应：O2+4e-+2CO2=2CO32-。故答案为：O2+4e-+2CO2=2CO32-；

（3）若不考虑副反应，1 kg甲烷完全转化所得到的合成气全部用于燃料电池中，最终转化为CO2和水，甲烷中碳由-4价升高为+4价，氢化合价相当于没有变，外电路通过的电子的物质的量最大为 =500mol。故答案为：500。