Question

甲醇被稱為2l世紀的新型燃料，工業上通過下列反應Ⅰ和Ⅱ，來制備甲醇．
（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應室（容積為100L），
在一定條件下發生反應：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）Ⅰ，CH₄的轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示：
①已知100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示的平均反應速率為

 

．
②圖中的P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”），
（2）在壓強為0.1MPa條件下，a mol CO與3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下能自發反應生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
③該反應的△H

 

0，（填“＜”、“＞”或“=”）．
④若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是

 

A．升高溫度                      B．將CH₃OH（g）從體系中分離
C．充入He，使體系總壓強增大     D．再充入1mol CO和3mol H₂
（3）在最新開發并投入生產的流動電解質直接甲醇燃料電池中，流動電解質硫酸的使用，可提高燃料電池效率約30%，該電池的負極反應為

 

．

Answer 1

考點：化學平衡的影響因素,化學電源新型電池,反應速率的定量表示方法

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）①①根據圖知道平衡時甲烷的轉化率，求出△c（CH₄），根據v=

△c

△t

計算v（CH₄），利用速率之比等于化學計量數之比計算v（H₂）；
②根據定一議二原則，定溫度同，再比較壓強，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時甲烷的轉化率，由此判斷；
（2）③根據△G=△H-T?△S進行判斷，如△G＜0，則反應能自發進行，如△G＞0，則不能自發進行；
④增加甲醇產率，應改變條件使平衡向正反應方向移動，根據平衡移動原理分析解答；
（3）根據原電池中負極發生氧化反應，正極發生還原反應，并考慮電解質溶液參與電極反應來分析．

解答： 解：（1）由100℃平衡CH₄的轉化率為0.5可知，消耗CH₄為1mol×0.5=0.5mol，平衡時甲烷的濃度變化量為：

0.5mol

100L

=5×10^-3mol/L，根據甲烷與氫氣的計量數關系，則：v（H₂）=3v（CH₄）=3×

5×10-3mol/L

5min

=0.0030mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.0030mol?L^-1?min^-1；
②由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉化率高，正反應為氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應方向移動，甲烷的轉化率降低，故壓強P₁＜P₂，
故答案為：＜；
（2）③該反應正反應是氣體物質的量減小的反應，氣體的物質的量越多，其熵越大，所以△S＜0，混合氣體在催化劑作用下能自發反應生成甲醇，則應該滿足：△G=△H-T?△S＜0，由于△S＜0，則△H＜0，
故答案為：＜；
④增加甲醇產率，應改變條件使平衡向正反應方向移動，
A．正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，甲醇的產率減小，故A錯誤；
B．將CH₃OH（g）從體系中分離，降低生成物的濃度，平衡向正反應方向移動，甲醇的產率增大，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強增大，容器的容積不變，反應混合物各組分濃度不變，平衡不移動，甲醇的產率不變，故C錯誤；
D．再充入1mol CO和3mol H₂，可以等效為增大壓強，平衡向體積減小的正反應方向移動，甲醇的產率增大，故D正確，
故答案為：BD；
（3）由燃料電池是原電池的一種，負極失電子發生氧化反應，正極得電子發生還原反應，甲醇燃燒生成二氧化碳和水，
但在酸性介質中，正極不會生成大量氫離子，則電解質參與電極反應，甲醇燃料電池的負極反應式為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
正極反應式為：

3

2

O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O，
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

點評：本題考查化學反應速率、平衡常數、化學平衡計算、化學平衡的影響因素及讀圖能力、原電池工作原理等，綜合性較大，題目難度中等，知識面廣，應加強平時知識的積累，注意控制變量法與定一議二原則應用．