Question

能源問題是人類社會面臨的重大課題．甲醇是未來重要的綠色能源之一．以CH₄和H₂O為原料，通過下列反應來制備甲醇．
Ⅰ．CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
Ⅱ．CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
（1）CH₄（g）與H₂O（g）反應生成CH₃OH（g）和H₂（g）的熱化學方程式為

 

．
（2）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容積為100L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應I，測得在一定的壓強下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度的關系如圖1．

①假設100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應在0～5min內(nèi)的平均速率為

 

；
②100℃時反應I的平衡常數(shù)為

 

．
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將1.0molCO和2.0molH₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應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

 

（填字母序號）．
a．c（H₂）減小      b．正反應速率加快，逆反應速率減慢      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）甲醇在工業(yè)上用途很多
①甲醇蒸氣重整法制備氫氣：該法中的一個主要反應為CH₃OH（g）═CO（g）+2H₂（g），一定溫度下，在密閉恒容的容器中，能表示上述反應達到化學平衡狀態(tài)的是

 

．
a．2v_逆（CO）=v_正（H₂）           b．CH₃OH的 百分含量不再變
c．混合氣體密度保持不變      d．c（CO）：c（H₂）：c（CH₃OH）=1：2：1
②甲醇可用制作燃料電池的燃料：寫出以熔融碳酸鹽（如：熔融K₂CO₃）為電解質(zhì)的電池負極反應

 

，其中K⁺向

 

極移動．
（5）甲醇對水質(zhì)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．實驗室用圖2裝置模擬上述過程：
①寫出陽極電極反應式

 

；
②寫出除去甲醇的離子方程式

 

．
③若該電解槽用鉛蓄電池為電源，則除去32g甲醇至少需要消耗

 

g鉛．

Answer 1

考點：轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強的變化曲線,用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學平衡狀態(tài)的判斷,電解原理

專題：

分析：（1）依據(jù)蓋斯定律結(jié)合題干熱化學方程式計算得到；
（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)反應速率概念計算；
 ②依據(jù)化學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，反應速率增大，平衡正向進行；
（4）①平衡標志是反應的正逆反應速率相同，各組分濃度保持不變；
②負極上甲醇失電子和碳酸根離子反應生成二氧化碳和水；電解質(zhì)中的陽離子移向正極；
（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，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而凈化的離子方程式結(jié)合氧化還原反應的實質(zhì)原子守恒，電荷守恒配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
③根據(jù)電極上轉(zhuǎn)移電子的量相等結(jié)合電極反應方程式來判斷．

解答： 解：（1）依據(jù)蓋斯定律結(jié)合題干熱化學方程式計算得到；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=+77.0kJ/mol；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol；
（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表示該反應的平均反應速率=

1.2mol 100L

5min

=0.0024mol/（L?min）；故答案為：0.0024mol/（L?min）；
②依據(jù)化學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=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

=

0.004×0.0123

0.006×0.016

=7.2×10^-5（mol/L）²
故答案為：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恒溫恒容的容器內(nèi)進行反應CH₃OH（g）═CO（g）+2H₂（g），
a．2v_逆（CO）=v_正（H₂），正逆反應速率相等，證明反應達到平衡，故正確；
b．CH₃OH的百分含量不再變是平衡的特征，故正確；
c．混合氣體的密度等于氣體質(zhì)量和容器體積的比值，反應過程中氣體質(zhì)量守恒，容器體積相同，密度不變，不能證明反應達到平衡，故錯誤；
d．c（CO）：c（H₂）：c（CH₃OH）=1：2：1不能證明反應達到了平衡，故錯誤．
故選ab；
②負極上甲醇失電子和碳酸根離子反應生成二氧化碳和水，電極反應式為CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂+2H₂O，燃料電池中，電解質(zhì)中的陽離子移向正極，即鉀離子移向正極．
故答案為：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂+2H₂O；正；
（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，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而凈化的離子方程式結(jié)合氧化還原反應的實質(zhì)原子守恒，電荷守恒配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
③若該電解槽用鉛蓄電池為電源，Pb負極的反應為：Pb+SO₄^2--2e^-=PbSO₄，根據(jù)反應原理：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺則除去32g甲醇轉(zhuǎn)移電子是
6mol，所以至少需要消耗金屬鉛是3mol，質(zhì)量是3mol×207g/mol=621g，故答案為：621．

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