Question

（2012?萬安縣模擬）能源問題是人類社會面臨的重大課題，日本大地震引起的核泄漏事故引起了人們對核能源的恐慌．而甲醇是未來重要的綠色能源之一．以CH₄和H₂O為原料，通過下列反應(yīng)來制備甲醇．
①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
（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

CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0KJ/L

．
（2）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通過容積為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測得在一定的壓強下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖1．

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

0.0024mol/L?min

；
②100℃時反應(yīng)I的平衡常數(shù)為

7.2×10^-5（mol/L）²

．
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將1.0molCO與2.0molH₂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，對平衡體系產(chǎn)生的影響是

CD

（填字母序號）．
A．c（H₂）減小               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．重新平衡時

c(H2)

c(CH3OH)

減小      E．平衡常數(shù)K增大
（4）工業(yè)上利用甲醇制備氫氣的常用方法有兩種：
①甲醇蒸氣重整法．該法中的一個主要反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反應(yīng)能自發(fā)進行的原因是：

反應(yīng)是熵增加的反應(yīng)

．
②甲醇部分氧化法．在一定溫度下以Ag/CeO₂-ZnO為催化劑時原料氣比例對反應(yīng)的選擇性（選擇性越大，表示生成的該物質(zhì)越多）影響關(guān)系如圖2所示．則當(dāng)n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25時，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)方程式為

2CH₃OH+O₂

催化劑

加熱

2HCHO+2H₂O

．
（5）甲醇對水質(zhì)會造成一定的污染，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⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．實驗室用圖3裝置模擬上述過程：
①寫出陽極電極反應(yīng)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(jù)蓋斯定律結(jié)合題干熱化學(xué)方程式計算得到；
（2）①100°時甲烷的轉(zhuǎn)化率為40%，變化的甲烷為0.4mol，生成的氫氣依據(jù)反應(yīng)①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；可知氫氣物質(zhì)的量為1.2mol，依據(jù)反應(yīng)速率概念計算；
 ②依據(jù)化學(xué)平衡三段式計算平衡濃度、根據(jù)平衡常數(shù)的概念計算得到；
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將1.0molCO與2.0molH₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)Ⅱ生成甲醇，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol；
平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，其他條件不變，體積減小壓強增大，反應(yīng)速率增大，平衡正向進行；
（4）①反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反應(yīng)能自發(fā)進行的原因是△H-T△S＜0，反應(yīng)是熵增加的反應(yīng)；
②當(dāng)n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25時，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)為甲醇的催化氧化生成甲醛，反應(yīng)的方程式為：2CH₃OH+O₂

催化劑

加熱

2HCHO+2H₂O；
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化的離子方程式結(jié)合氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)原子守恒，電荷守恒配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；

解答：解：（1）依據(jù)蓋斯定律結(jié)合題干熱化學(xué)方程式計算得到；①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
①-②得到CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CH₃OH（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0KJ/L；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0KJ/L
（2）①100°時甲烷的轉(zhuǎn)化率為40%，變化的甲烷為0.4mol，生成的氫氣依據(jù)反應(yīng)①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；可知氫氣物質(zhì)的量為1.2mol，用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=

1.2mol 100L

5min

=0.0024mol/L?min；
②依據(jù)化學(xué)平衡三段式計算平衡濃度、根據(jù)平衡常數(shù)的概念計算得到
              CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）0.01    0.02     0       0
變化量（mol/L） 0.004 0.004   0.004    0.012
平衡量（mol/L）0.006  0.016   0.004    0.012
K=

[CO][H2]3

[CH4][H2O]

=

0.004×0.0123

0.006×0.016

=7.2×10^-5（mol/L）²
故答案為：0.0024mol/L?min；7.2×10^-5（mol/L）²
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將1.0molCO與2.0molH₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)Ⅱ生成甲醇，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol；
平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，其他條件不變，體積減小壓強增大，反應(yīng)速率增大，平衡正向進行
A、體積減小，c（H₂）增大，故A錯誤；
B、壓強增大，正逆反應(yīng)速率都加快，故B錯誤；
C、體積減小，壓強增大，平衡正向進行，CH₃OH的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D、體積減小，壓強增大，平衡正向進行，重新平衡時

c(H2)

c(CH3OH)

減小，故D正確；
E、平衡常數(shù)K只隨溫度的而變化，故E錯誤；
故選CD；
（4）①反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反應(yīng)能自發(fā)進行的原因是△H-T△S＜0，反應(yīng)是熵增加的反應(yīng)，；
②當(dāng)n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25時，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)為甲醇的催化氧化生成甲醛，反應(yīng)的方程式為：2CH₃OH+O₂

催化劑

加熱

2HCHO+2H₂O；
故答案為：反應(yīng)是熵增加的反應(yīng)；2CH₃OH+O₂

催化劑

加熱

2HCHO+2H₂O
（5）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化的離子方程式結(jié)合氧化還原反應(yīng)的實質(zhì)原子守恒，電荷守恒配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；

點評：本題考查了熱化學(xué)方程式的書寫，蓋斯定律的應(yīng)用，原電池和電解池原理的綜合應(yīng)用，化學(xué)平衡的影響因素分析，反應(yīng)速率的計算，離子方程式的書寫，題目綜合性大，難度中等．