Question

8．甲醇可作為燃料電池的原料．CH₄和H₂O為原料，通過下列反應反應來制備甲醇．
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
（1）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=+77kJ•mol^-1．
（2）將1．OmolCH₄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表示該反應的平均反應速率為0.003 mol•L^-1•min^-1．
②100℃時反應I的平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將amolCO與3amolH₂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$\frac{1}{2}$，其他條件不變，對平衡體系產(chǎn)生的影響是CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．（填字母序號）．
A．c（H₂）減少；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c（H₂）/c（CH₃OH）減��；E．平衡常數(shù)K增大
（4）寫出甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池正極的電極反應式：Co²⁺-e^-=Co³⁺．
（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）已知，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可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g），反應熱也進行相應計算；
（2）由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
            CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始（mol）：1.0      2.0      0        0
變化（mol）：0.5      0.5      0.5      1.5
平衡（mol）：0.5      1.5      0.5      1.5
①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算H₂表示該反應的平均反應速率；
②根據(jù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$計算；
（3）平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，其他條件不變，體積減小壓強增大，正、逆反應速率增大，正反應速率增大更多，平衡正向進行，平衡常數(shù)只受溫度影響，與濃度無關，則平衡常數(shù)不變，結合平衡常數(shù)可知，平衡時反應物各組分的濃度都增大；
（4）負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水；
（5）①陽極發(fā)生氧化反應，Co²⁺失去電子生成Co³⁺；
②Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式．

解答 解：（1）已知，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可得：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=+77kJ•mol^-1；
（2）由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
           CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始（mol）：1.0     2.0       0        0
變化（mol）：0.5     0.5       0.5      1.5
平衡（mol）：0.5     1.5       0.5      1.5
①H₂表示該反應的平均反應速率為=$\frac{\frac{1.5mol}{100mL}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②平衡濃度為c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.005×0.01{5}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
（3）平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，其他條件不變，體積減小壓強增大，平衡正向進行．
A．生成物濃度增大，結合平衡常數(shù)不變，可知c（H₂）增大，故A錯誤；
B．壓強增大，正、逆反應速率都加快，但正反應速率增大更多，故B錯誤；
C．平衡正向進行，CH₃OH的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．平衡正向進行，氫氣物質(zhì)的量減小，甲醇物質(zhì)的量增大，故重新平衡時$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小，故D正確；
E．平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變，故E錯誤，
故選：CD；
（4）負極發(fā)生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負極電極反應式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（5）①陽極發(fā)生氧化反應，Co²⁺失去電子生成Co³⁺，電極反應式為：Co²⁺-e^-=Co³⁺，
故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及熱化學方程式書寫、化學平衡圖象、化學平衡影響因素、平衡常數(shù)與反應速率計算、原電池等，是對學生綜合能力的考查，題目難度中等．