Question

甲醇是一種重要的化工原料．
甲醇與水蒸氣催化重整可獲得清潔能源，具有廣泛的應(yīng)用前景．現(xiàn)有如下實(shí)驗(yàn)，在體積為1L的密閉容器中，充入1mol CH₃OH和1molH₂O，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₃OH （g）+H₂O （g）?CO₂（g）+3H₂（g），測得CO₂和CH₃OH（g）的濃度隨時(shí)間變化如下表所示．

時(shí)間 物質(zhì)	0min	10min	30min	60min	70min
CO2（mol/L）	0	0.2	0.6	0.8	0.8
CH3OH（mol/L）	1.0	0.8	0.4	0.2	0.2

（1）已知：CH₃OH （g）+

1

2

O₂ （g）?CO₂（g）+2H₂（g）?H₁=-192.9kJ/mol   K₁
H₂（g）+

1

2

O₂（g）?H₂O（g）?H₂=-120.9kJ/mol   K₂
則甲醇與水蒸氣催化重整反應(yīng)的焓變△H₃=

 

，甲醇與水蒸氣催化重整反應(yīng)的平衡常數(shù)K₃=

 

（用K₁、K₂表示）
（2）10～30min內(nèi)，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=

 

．
（3）下列措施中能使平衡時(shí)n（CH₃OH）/n（CO₂）減小的是（雙選）

 

．
A．加入催化劑               B．恒容充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大
C．將H₂（g）從體系中分離     D．再充入1molH₂O（g）
（4）根據(jù)題目有關(guān)信息，請?jiān)谧鴺?biāo)圖中標(biāo)示出該甲醇與水蒸氣催化重整反應(yīng)過程的能量變化（標(biāo)明信息）．
（5）以甲醇、空氣、氫氧化鉀溶液為原料，石墨為電極可構(gòu)成燃料電池．已知該燃料電池的總反應(yīng)式為：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，該電池中負(fù)極上的電極反應(yīng)式是：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O，則正極上發(fā)生的電極反應(yīng)為：

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的影響因素,反應(yīng)熱和焓變,化學(xué)電源新型電池

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式得到反應(yīng)焓變；
結(jié)合平衡常數(shù)概念書寫反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算得到K₃和K₁、K₂的關(guān)系；
（2）依據(jù)反應(yīng)速率概念計(jì)算，v=

△c

△t

計(jì)算得到二氧化碳的反應(yīng)速率，結(jié)合反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比計(jì)算得到氫氣反應(yīng)速率；
（3）為使甲醇與二氧化碳的物質(zhì)的量比值增大，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動，或增加甲醇的物質(zhì)的量；
（4）根據(jù)該反應(yīng)放熱，生成物的總能量小于反應(yīng)物的總能量，△H＜O；
（5）根據(jù)正極的電極反應(yīng)=總反應(yīng)-負(fù)極的電極反應(yīng)．

解答： 解：（1）①CH₃OH （g）+

1

2

O₂ （g）?CO₂（g）+2H₂（g）?H₁=-192.9kJ/mol   K₁
②H₂（g）+

1

2

O₂（g）?H₂O（g）?H₂=-120.9kJ/mol   K₂
結(jié)合蓋斯定律計(jì)算①-②得到甲醇與水蒸氣催化重整反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CH₃OH （g）+H₂O （g）?CO₂（g）+3H₂（g），△H₃=-72KJ/mol；
K₁=

c(CO2)c2(H2)

c(CH3OH)c 1 2 (O2)

K₂=

c(H2O)

c(H2)c 1 2 (O2)

K₃=

c(CO2)c3(H2)

c(CH3OH)c(H2O)

=

K1

K2

；
故答案為：-72.0kJ/mol； K₃=

K1

K2

； 
（2）10～30min內(nèi)，二氧化碳的反應(yīng)速率v（CO2）=

0.6mol/L-0.2mol/L

30min-10min

=0.02mol/L?min，氫氣的平均反應(yīng)速率v（H₂）=3v（CO₂）=0.06mol/L?min；
故答案為：0.06 mol/（L?min）；
（3）CH₃OH （g）+H₂O （g）?CO₂（g）+3H₂（g），反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)；
A、加入催化劑，平衡向不發(fā)生移動，甲醇與二氧化碳的物質(zhì)的量比值不變，故A錯(cuò)誤；
B、恒容充入He（g），使體系壓強(qiáng)增大，分壓不變，對反應(yīng)物質(zhì)沒有影響，平衡不移動，二者比值不變，故B錯(cuò)誤；
C、將H₂（g）從體系中分離，生成物的濃度減小，平衡向正反應(yīng)方向移動，二者比值變大，故C正確；
D、再充入1mol H₂O，平衡向正方向移動，甲醇濃度增大，二者比值增大，故D正確．
故答案為：CD；
（4）該反應(yīng)放熱，生成物的總能量小于反應(yīng)物的總能量，△H＜O，圖象為：；
故答案為：；

（5）燃料電池的總反應(yīng)式為：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，負(fù)極上的電極反應(yīng)式是：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O，兩式相減，正極上的電極反應(yīng)式是：3O₂+12H₂O+12e^-=12OH^-，所以正極上發(fā)生的電極反應(yīng)為O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；

點(diǎn)評：本題主要考查化學(xué)反應(yīng)速率、平衡圖象、化學(xué)平衡常數(shù)、平衡狀態(tài)的判斷、電極反應(yīng)方程式等，難度中等，注意基礎(chǔ)知識的理解掌握．