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14.工业上由N2、H2合成NH3.制备H2需经多步完成,其中“水煤气(CO、H2)变换”是纯化H2的关键一步.
(1)水煤气变换:CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g),平衡常数K随温度变化如表:
温度/℃200300400
K2903911.7
①下列分析正确的是ac.
a.水煤气变换反应的△H<0
b.增大压强,可以提高CO的平衡转化率
c.增大水蒸气浓度,可以同时增大CO的平衡转化率和反应速率
②以氨水为吸收剂脱除CO2.当其失去吸收能力时,通过加热使吸收剂再生.用化学方程式表示“吸收”、“再生”两个过程:NH3+H2O+CO2=NH4HCO3、NH4HCO3$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH3+H2O+CO2↑.
(2)Fe3O4是水煤气变换反应的常用催化剂,经CO、H2还原Fe2O3制备.两次实验结果如表:
实验Ⅰ实验Ⅱ
通入气体CO、H2CO、H2、H2O(g)
固体产物Fe3O4、FeFe3O4
结合化学方程式解释H2O(g)的作用:Fe3O4(s)+4H2(g)?3Fe(s)+4H2O(g),加入H2O(g)后抑制Fe3O4被H2进一步还原.
(3)2016年我国某科研团队利用透氧膜,一步即获得N2、H2,工作原理如图所示.(空气中N2与O2的物质的量之比按4:1计)

①起还原作用的物质是CH4
②膜Ⅰ侧发生的电极反应式是H2O+2e-=H2+O2-、O2+4e-=2O2-
③膜Ⅰ侧所得气体$\frac{n({H}_{2})}{n({N}_{2})}$=3,CH4、H2O、O2反应的化学方程式是14CH4+12H2O+O2=14CO+40H2
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分析 (1)①a.由表格数据可知,温度越高,K越小,则正反应为放热反应;
b.该反应为气体体积不变的反应,增大压强,平衡不移动;
c.增大水蒸气浓度,反应速率增大,促进CO的转化;
②以氨水为吸收剂脱除CO2,反应生成碳酸氢铵,加热时分解生成二氧化碳;
(2)发生Fe3O4(s)+4H2(g)?3Fe(s)+4H2O(g),增大生成物浓度,平衡逆向移动;
(3)由图可知,C失去电子生成CO,膜Ⅰ侧氧气、水得到电子,结合电极反应来解答.

解答 解:(1)①a.由表格数据可知,温度越高,K越小,则正反应为放热反应,则△H<0,故正确;
b.该反应为气体体积不变的反应,增大压强,平衡不移动,不能提高转化率,故错误;
c.增大水蒸气浓度,反应速率增大,促进CO的转化,则可以同时增大CO的平衡转化率和反应速率,故正确;
故答案为:a c;
②以氨水为吸收剂脱除CO2.当其失去吸收能力时,通过加热使吸收剂再生.用化学方程式表示“吸收”、“再生”两个过程吸收:NH3+H2O+CO2=NH4HCO3、NH4HCO3$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH3+H2O+CO2↑,
故答案为:NH3+H2O+CO2=NH4HCO3、NH4HCO3$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$NH3+H2O+CO2↑;
(2)发生Fe3O4(s)+4H2(g)?3Fe(s)+4H2O(g),增大生成物浓度,平衡逆向移动,则H2O(g)的作用为Fe3O4(s)+4H2(g)?3Fe(s)+4H2O(g),加入H2O(g)后抑制Fe3O4被H2进一步还原,
故答案为:Fe3O4(s)+4H2(g)?3Fe(s)+4H2O(g),加入H2O(g)后抑制Fe3O4被H2进一步还原;
(3)①C失去电子,则起还原作用的物质是CH4,故答案为:CH4
②膜Ⅰ侧发生的电极反应式是H2O+2e-=H2+O2-、O2+4e-=2O2-,故答案为:H2O+2e-=H2+O2-、O2+4e-=2O2-
③空气中N2与O2的物质的量之比为4:1,膜Ⅰ侧所得气体$\frac{n({H}_{2})}{n({N}_{2})}$=3,氮气在反应前后不变,设氮气为4mol,则生成氢气为12mol,由膜I侧反应可知12molH2O得到电子、1molO2得到电子,膜I上发生12H2O+24e-=12H2+12O2-、O2+4e-=2O2-,膜II上14molCH4中C失去84mol电子、H得到56mol电子时,总反应遵循电子守恒,则反应为14CH4+12H2O+O2=14CO+40H2,故答案为:14CH4+12H2O+O2=14CO+40H2

点评 本题考查化学平衡及原电池,为高频考点,把握表格数据、图象分析、平衡移动原理及电极反应为解答的关键,侧重分析与应用能力的考查,注意信息的应用,题目难度较大.

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