Question

甲醇可作為燃料電池的原料。以CH₄和H₂O為原料，通過(guò)下列反應(yīng)來(lái)制備甲醇。

I：CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)    △H=+206.0kJ•molˉ¹

II：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)    △H=－129.0kJ•molˉ¹

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

（2）將1.0mol CH₄和1.0mol H₂O(g)通入容積為100 L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測(cè)得在一定的壓強(qiáng)下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖。

①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需構(gòu)時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為                。

②100⁰C時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為                  。

（3）在壓強(qiáng)為0.1 MPa、溫度為300℃條件下，將a molCO與2a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)II生成甲醇，平衡后將容器舶容積壓縮到原來(lái)的1/2，其他條件不變，對(duì)平衡體系產(chǎn)生的影響是              （填字母序號(hào)）。

A．平衡常數(shù)K增大             B．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)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

（4）甲醇對(duì)水質(zhì)會(huì)造成一定的污染，有一種電化學(xué)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⁺做氧化劑再把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化。若下圖裝置中的電源為甲醇－空氣－KOH溶液的燃料電池，則電池正極的電極反應(yīng)式：                        ，該電池工作時(shí)，溶液中的OHˉ向         極移動(dòng)。凈化含1mol甲醇的水，燃料電池轉(zhuǎn)移電子         mol。

 

 

Answer 1

【答案】

（16分）（1）CH₄(g)+ H₂O(g)CH₃OH(g)+H₂(g)  △H=+77.0kJ•molˉ¹（3分，焓變寫錯(cuò)扣1分，用等號(hào)不扣分）

（2）0.003mol•Lˉ¹•minˉ¹（2分，單位寫錯(cuò)0分）  6.75×10ˉ⁴（2分）

（3）C、D(共2分，只答對(duì)一個(gè)給1分，答錯(cuò)一個(gè)0分)

（4）O₂+2H₂O+4eˉ=4OHˉ或3O₂+6H₂O+12eˉ=12OHˉ（3分，電極反應(yīng)式?jīng)]配平0分）   負(fù)（2分）    6（2分）

【解析】

試題分析：（1）根據(jù)蓋斯定律可知，已知反應(yīng)I+II可得：CH₄(g)+ H₂O(g)= CH₃OH(g)+H₂(g)  △H=+77.0kJ•molˉ¹；（2）CH₄的起始濃度為1.0mol÷100L=0.01mol•Lˉ¹，讀圖可知100℃時(shí)其平衡轉(zhuǎn)化率為50%，則CH₄的變化濃度為0.01mol•Lˉ¹×50%=0.005mol•Lˉ¹，則v(CH₄)= 0.005mol•Lˉ¹÷5min=0.001mol•Lˉ¹•minˉ¹，根據(jù)系數(shù)之比等于速率之比可知，v(H₂)=3×v(CH₄)= 0.003mol•Lˉ¹•minˉ¹；根據(jù)變化濃度之比等于系數(shù)之比，則反應(yīng)I：

                               CH₄(g)  +  H₂O(g)  CO(g)  +  3H₂(g)

起始濃度/ mol•Lˉ¹               0.01       0.01           0         0

變化濃度/ mol•Lˉ¹              0.005       0.005         0.005      0.015

平衡濃度/ mol•Lˉ¹              0.005       0.005         0.005      0.015

K=[c(CO)•c³(H₂)]/[c(CH₄)•c(H₂O)]= [0.005×0.015³]/[ 0.005×0.005]=6.75×10ˉ⁴

（3）反應(yīng)II是氣態(tài)物質(zhì)體積減小的反應(yīng)，縮小容器體積，能增大各組分濃度，也能增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，但是平衡常數(shù)保持不變，因?yàn)闇囟炔蛔兤胶獬��?shù)K不變，故A錯(cuò)誤；同時(shí)增大反應(yīng)物和生成物的濃度，正、逆反應(yīng)速率均增大，但是v(正)>v(逆)，所以平衡右移，故B錯(cuò)誤；增大壓強(qiáng)平衡右移，使生成物的量增加，故C正確；增大壓強(qiáng)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，反應(yīng)物濃度減小，生成物濃度增大，則重新平衡后反應(yīng)物濃度/生成物濃度的值減小，故D正確；（4）甲醇完全燃燒生成CO₂和H₂O，CO₂和過(guò)量KOH反應(yīng)生成K₂CO₃和H₂O，則該電池負(fù)極的主要反應(yīng)物和產(chǎn)物分別是CH₃OH、CO₃²ˉ，碳元素由－2價(jià)升為+4價(jià)，則CH₃OH－6eˉ→CO₃²ˉ，由于KOH是強(qiáng)堿，應(yīng)該用OHˉ使左右電荷守恒，則CH₃OH－6eˉ+8OHˉ→CO₃²ˉ，根據(jù)氫、氧原子個(gè)數(shù)守恒可得，負(fù)極反應(yīng)式為CH₃OH－6eˉ+8OHˉ=CO₃²ˉ+6H₂O或2CH₃OH－12eˉ+16OHˉ=2CO₃²ˉ+12H₂O；而正極的主要反應(yīng)物是O₂，同理可推斷正極反應(yīng)式為O₂+2H₂O+4eˉ=4OHˉ或3O₂+6H₂O+12eˉ=12OHˉ；放電時(shí)負(fù)極流出電子，正極流入電子，則陰離子移向負(fù)極，陽(yáng)離子移向正極，則溶液中的OHˉ移向負(fù)極；根據(jù)系數(shù)之比等于物質(zhì)的量之比，則1mol甲醇完全反應(yīng)失去6mol電子，因此該燃料電池轉(zhuǎn)移6mol電子。

考點(diǎn)：考查化學(xué)反應(yīng)原理，涉及熱化學(xué)方程式的書(shū)寫、蓋斯定律的應(yīng)用、平均反應(yīng)速率的計(jì)算、平衡轉(zhuǎn)化率和化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算、化學(xué)平衡、燃料電池的工作原理等知識(shí)。