Question

8．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=+206.0kJ•mol^-1
Ⅱ：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-129.0kJ•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：CH₄（g）+H₂O（g）═CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol．
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為100L的反應室中，在一定條件下發生反應Ⅰ，測得在一定的壓強下CH₄的轉化率與溫度的關系如圖1．假設100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應從開始到達到平衡時的反應速率為：0.003 mol•L^-1•min^-1．
（3）甲醇對水質會造成一定的污染，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⁺作氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．
實驗室用圖2裝置模擬上述過程：

①完成除去甲醇的離子方程式：6Co³⁺+1CH₃OH+1H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺
②若圖2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：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
③凈化含1mol甲醇的水，理論上燃料電池需消耗KOH2mol．

Answer 1

分析 （1）根據熱化學方程式和蓋斯定律計算書寫；
（2）100℃時達到平衡時，甲烷轉化率為50%，結合化學平衡三段式列式計算平衡時各組分的物質的量，根據c=$\frac{△n}{\frac{V}{△t}}$計算v（H₂）；
（3）燃料電池中，負極上燃料失電子發生氧化反應，正極上氧化劑得電子發生還原反應；
①甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被還原生成Co²⁺；
②負極上燃料失電子發生氧化反應，注意電解質溶液是堿性溶液；
③依據化學方程式計算消耗氫氧化鉀物質的量．

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
②CO（g）+2 H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0 kJ/mol
將方程式①+②得CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+206.0kJ/mol+（-129.0kJ/mol）=+77.0 kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ/mol；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應室，在一定條件下發生反應I，由圖象可知100℃甲烷轉化率為50%，故參加反應的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
                        CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0             2.0             0              0
變化量（mol）：0.5             0.5            0.5            1.5
平衡量（mol）：0.5             1.5             0.5           1.5
假設100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應的平均反應速率=$\frac{1.5mol}{\frac{100L}{5min}}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.003；
（3）①甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被還原生成Co²⁺，溶液呈酸性，則生成物中含有氫離子，所以該反應離子方程式為6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，
故答案為：6；CO₂↑；6；6H⁺；
②正極上氧氣得電子和水反應生成氫氧根離子，電極反應式為O₂+H₂O+4e^-═4OH^-，負極是甲醇失電子在堿性溶液中生成碳酸鉀，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
 ③依據化學方程式計算分析2CH₃OH+3O₂+4KOH→2K₂CO₃+6H₂O，凈化含1mol甲醇的水燃料電池需消耗KOH物質的量2mol；
故答案為：2．

點評 本題考查熱化學方程式書寫、反應速率計算、原電池等，注意蓋斯定律書寫熱化學方程式應用，注意電極反應式要結合電解質溶液酸堿性書寫，題目難度中等．