Question

（12分）甲醇可作為燃料電池的原料。以CH₄和H₂O為原料，通過下列反應來制備甲醇。

I：CH₄ ( g ) + H₂O ( g ) ＝CO ( g ) + 3H₂ ( g )△H ＝+206.0 kJ·mol^－1

II：CO ( g ) + 2H₂ ( g ) ＝ CH₃OH ( g )        △H ＝—129.0 kJ·mol^－1

（1）CH₄(g)與H₂O(g)反應生成CH₃OH (g)和H₂(g)的熱化學方程式為                              。

（2）將1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O ( g )通入容積為100 L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應I，測得在一定的壓強下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關系如右圖。

①假設100 ℃時達到平衡所需的時間為5 min，則用H₂表示該反應的平均反應速率為      。

②100℃時反應I的平衡常數(shù)為           。

（3）在壓強為0.1 MPa、溫度為300℃條件下，將a mol CO與3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應II生成甲醇，平衡后將容器的容積壓縮到原來的l/2，其他條件不變，對平衡體系產(chǎn)生的影響是           (填字母序號)。

A．c ( H₂ )減少                                              B．正反應速率加快，逆反應速率減慢 

C．CH₃OH 的物質(zhì)的量增加                   D．重新平衡c ( H₂ )/ c (CH₃OH )減小

E．平衡常數(shù)K增大

（4）甲醇對水質(zhì)會造成一定的污染，有一種電化學法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化。實驗室用右圖裝置模擬上述過程：

① 寫出陽極電極反應式                           。

② 寫出除去甲醇的離子方程式                。

③若右圖裝置中的電源為甲醇—空氣—KOH溶液的燃料電池，則電池負極的電極反應式：                                    ，凈化含1 mol甲醇的水燃料電池需消耗KOH

            mol。

 

Answer 1

【答案】

（1）CH₄(g)+H₂O(g)＝CH₃OH (g)+H₂(g)   △H ＝+77.0 kJ·mol^－1（2分）

（2）0.003 mol·L^－1·min^－1 （2分）   2.25×10^-4 （2分）

（3）C 、D（各1分，共2分）

（4） Co²⁺ —e^—  ＝ Co³⁺ （1分）   6Co³⁺+CH₃OH+H₂O ＝ CO₂↑+6 Co²⁺+6H⁺（1分）

CH₃OH—6e^—+8OH^— ＝ CO₃^2—+ 6H₂O（1分）       2（1分）

【解析】（1）根據(jù)蓋斯定律可知，I＋Ⅱ即得到CH₄(g)+H₂O(g)＝CH₃OH (g)+H₂(g)，所以反應熱是+206.0 kJ·mol^－1－129.0 kJ·mol^－1＝+77.0 kJ·mol^－1。

（2）①根據(jù)圖像可知，該溫度下甲烷的轉(zhuǎn)化率是50％，所以生成氫氣是1.5mol，所以氫氣的反應速率是。

②平衡時甲烷是0.005mol/L，水蒸氣是0.015mol/L，CO是0.005mol/L，氫氣濃度是0.015mol/L，所以該溫度下的平衡常數(shù)是。

（3）反應Ⅱ是體積減小的，所以平衡后將容器的容積壓縮到原來的l/2，壓強增大，平衡向正反應方向移動，所以CD正確，A不正確，氫氣濃度增大，B不正確，逆反應速率也是增大的，E不正確，平衡常數(shù)與溫度有關系。答案選CD。

（4）①陽極失去電子，所以根據(jù)題意可知，Co²⁺在陽極放電，反應式為Co²⁺ —e^—＝ Co³⁺ 。

②Co³⁺能把水中的甲醇氧化成CO₂，所以方程式為6Co³⁺+CH₃OH+H₂O ＝ CO₂↑+6 Co²⁺+6H⁺。

③原電池中負極失去電子，所以甲醇在負極通入，電極反應式是CH₃OH—6e^—+8OH^— ＝ CO₃^2—+ 6H₂O。氧氣在正極通入，總反應式為2CH₃OH＋3O₂＋4OH^－=2CO₃^2－＋6H₂O。1mol甲醇在凈化時轉(zhuǎn)移6mol電子，所以根據(jù)電子的得失守恒可知，需要氫氧化鈉是2mol。