Question

20．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
Ⅱ：CO （g）+2H₂ （g）═CH₃OH （g）△H=-129.0 kJ/mol
（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=+77.0 kJ/mol．
（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，假設100℃時達到平衡所需的時間為15min，則用H₂表示該反應的平均反應速率為0.001 mol•L^-1•min^-1．
（3）寫出甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池負極的電極反應式：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
（4）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⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．實驗室用下圖裝置模擬上述過程：
①寫出陽極電極反應式Co²⁺-e^-=Co³⁺．
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）依據蓋斯定律將已知熱化學方程式變形運算解答；
（2）列三段式表示各物質起始量、轉化量、平衡量；依據反應速率計算公式V=$\frac{△C}{△t}$計算解答；
（3）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；
（4）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②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⁺．

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：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
假設100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應的平衡反應速率V（H₂）=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{15min}$=0.001 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.001 mol•L^-1•min^-1；
（3）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；
（4）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺，故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②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⁺．

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．