Question

【题目】氢气是一种清洁高效能源，以甲醇为原料可以制取氢气。回答下列问题：

（1）甲醇水蒸气重整制氢

主反应：①CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH =+90.7kJ/mol

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH =-41.2 kJ/mol

副反应：③CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) ΔH =+206.3 kJ/mol

则甲醇水蒸气重整制氢反应(反应Ⅰ)：CH3OH(g) +H2O(g)CO2(g)+3H2(g)的 ΔH=_________。反应②中lmolCO与lmol水蒸气反应的的活化能为E1kJ，则该反应生成物的活化能为_________kJ。

（2）实验室模拟甲醇水蒸气重整制氢过程，合成器组成n(CH3OH)：n(H2O) =1：1时，体系中甲醇的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示。

①该反应的平衡常数表达式为_______________。

②当温度为250℃、压强为P2时，反应达平衡时H2的体积分数为______________。

③图中的压强由小到大的顺序是________________。

④根据主副反应分析，氢气的产率随压强的增大而___________，其原因是__________________。

（3）MFC30氢氧燃料电池是以碳酸盐为电解质(提供CO32-)的高温型燃料电池，负极的电极反应式为_____。

Answer 1

【答案】 +49.5kJ/mol E1+41.2 K= 67.6%或0.676或0.68 P1<P2<P3 减少 随着压强增大，反应①逆向移动，反应②不移动，副反应③正向移动，导致氢气的产率下降 H2-2e-+CO32-=H2O+CO2

【解析】（1）甲醇水蒸气重整制氢主反应有①CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH =+90.7kJ/mol

②CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH =-41.2 kJ/mol ，副反应有③CO(g)+3H2(g)CH4(g)+H2O(g) ΔH =+206.3 kJ/mol 。由①+②得：CH3OH(g) +H2O(g)CO2(g)+3H2(g)，则甲醇水蒸气重整制氢反应(反应Ⅰ)：CH3OH(g) +H2O(g)CO2(g)+3H2(g)的ΔH=+90.7kJ/mol-41.2 kJ/mol=+49.5kJ/mol 。反应②中lmolCO与lmol水蒸气反应的的活化能为E1kJ，因为lmolCO与lmol水蒸气反应后要放出41.2 kJ，这些热量等于生成物的活化能减去反应物的活化能，所以该反应生成物的活化能为E1+41.2kJ。

（2）由反应CH3OH(g) +H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH=+49.5kJ/mol 可知，正反应是气体分子数增大的吸热反应，所以温度越高，体系中甲醇的平衡转化率越高，压强越小，体系中甲醇的平衡转化率越高。

①该反应的平衡常数表达式为K= 。

②当温度为250℃、压强为P2时，甲醇的平衡转化率为82%，由CH3OH(g) +H2O(g)CO2(g)+3H2(g)，设起始时n(CH3OH)=n(H2O) =1mol，则平衡时，n(CH3OH)=n(H2O) =0.18mol，n(CO2)=0.82mol，n(H2)=2.46mol，反应达平衡时H2的体积分数为67.6%(或0.676或0.68)。

③图中的压强由小到大的顺序是P1<P2<P3 。

④根据主副反应分析，氢气的产率随压强的增大而减少，其原因是随着压强增大，反应①逆向移动，反应②不移动，副反应③正向移动，导致氢气的产率下降 。

（3）MFC30氢氧燃料电池是以碳酸盐为电解质(提供CO32-)的高温型燃料电池，根据总反应为2H2+O2=2H2O，正极通入的气体必须是氧气和二氧化碳的混合气，电极反应为O2+4e-+2 CO2 =2 CO32-，所以负极的电极反应式为H2-2e-+CO32-=H2O+CO2 。