Question

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^-
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

 

．
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為100L的反應室，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表示該反應的平均應速率為

 

．
②100℃時反應I的平衡常數為

 

．
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將amolCO與3amol H₂的混合氣體在催化劑作用下發生反應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，對平衡體系產生的影響是

 

（填字母序號）．
A．c（H₂）減                    
B．正反應速率加快，逆反應速率減慢
C．CH₃OH的物質的最增加       
D．重新平衡c（H₂）/c（CH₃OH）減小
E．平衡常數K增大
（4）若甲醇作為燃料電池的原料，KOH溶液為導電介質，則負極的電極反應式為

 

（5）甲醇對水質會造成一定的污染，有一種方法可消除這種污染，其原理是在酸性溶液中，用Co³⁺做氧化劑水中的甲醇氧化成CO₂而凈化C³⁺被還原成Co²⁺．
①除去甲醇的離子反應方程式為

 

．
②若反應有12mol e^-轉移，則可除去甲醇的質量為

 

g．

Answer 1

考點：化學平衡的影響因素,氧化還原反應,用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,原電池和電解池的工作原理

專題：

分析：（1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算應用；
（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；
①根據c=

△n V

△t

計算v（H₂）；
②計算平衡狀態時各物質的濃度，代入平衡常數表達式計算；
（3）其他條件不變，平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，壓強增大，正、逆反應速率都增大，但正反應速率增大更多，平衡向正反應方向移動，生成物的濃度增大，由于溫度不變，則平衡常數不變，結合平衡常數可知，平衡時反應物各組分的濃度都增大，據此分析解答；
（4）負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水；
（5）①以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
②根據關系式CH₃OH～6e^-．

解答： 解：（1）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
依據蓋斯定律Ⅰ+Ⅱ得到CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ?mol^-1
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ?mol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L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
①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=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
②100℃時反應I的平衡濃度為c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，
平衡常數K=

0.005×0.0153

0.005×0.015

=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
（3）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，壓強增大，平衡向正反應方向移動，生成物的濃度增大，由于平衡常數不變，結合平衡常數可知，平衡時反應物各組分的濃度都增大，故A錯誤；
B．壓強增大，正、逆反應速率都增大，但正反應速率增大更多，故B錯誤；
C．壓強增大，平衡向正反應方向移動，CH₃OH 的物質的量增加，故C正確；
D．壓強增大，平衡向正反應方向移動，氫氣的物質的量減小、甲醇的物質的量增大，故重新平衡

c(H2)

c(CH3OH)

減小，故D正確；
E．平衡常數只受溫度影響，溫度不變，平衡常數不變，故E錯誤，
故答案為：CD；
（4）負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負極電極反應式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（5）①以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
②由CH₃OH～6e^-．
     32g     6
     64g    12
故答案為：64．

點評：本題考查熱化學方程式書寫、化學平衡圖象、影響化學平衡因素、平衡常數與反應速率計算、原電池等，掌握基礎是解本題的關鍵，題目難度中等．