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(yīng)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
 （l）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100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測得在一定的壓強(qiáng)下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖1．

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

 

．
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為

 

．
（3）在壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將a mol CO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，平衡后將容器的容積壓縮到原來的

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．
若圖2裝置中的電源為甲醇一空氣-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OH^-向

 

極移動(dòng)．凈化合1mol甲醇的水，燃料電池轉(zhuǎn)移電子

 

mol．

Answer 1

考點(diǎn)：熱化學(xué)方程式,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡常數(shù)的含義,化學(xué)平衡的影響因素

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律書寫熱化學(xué)方程式；
（2）100℃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量；
①根據(jù)c=

△n V

△t

計(jì)算v（H₂）；
②計(jì)算平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)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(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于溫度不變，則平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，據(jù)此分析解答；
（4）甲醇一空氣-KOH溶液的燃料電池中，燃料在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)生成碳酸鹽，正極是氧氣得到電子生成氫氧根離子，工作時(shí)原電池中陰離子移向負(fù)極，依據(jù)電極反應(yīng)和電子守恒計(jì)算分析；

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(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77kJ?mol^-1
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77.0kJ?mol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和1.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0       1.0      0         0
變化量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)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(shí)反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.005mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，
平衡常數(shù)K=

0.005×0.0153

0.005×0.005

=6.75×10^-4，
故答案為：6.75×10^-4；
（3）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，故A錯(cuò)誤；
B．壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，故B錯(cuò)誤；
C．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CH₃OH 的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)的量增大，故重新平衡

c(H2)

c(CH3OH)

減小，故D正確；
故答案為：CD；
（4）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O，正極是氧氣得到電子生成氫氧根離子，電極反應(yīng)為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，凈化含1mol甲醇的水，燃料電池轉(zhuǎn)移電子6mol：
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，負(fù)，6；

點(diǎn)評(píng)：本題考查熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象、影響化學(xué)平衡因素、平衡常數(shù)與反應(yīng)速率計(jì)算、原電池等，掌握基礎(chǔ)是解本題的關(guān)鍵，題目難度中等