Question

10．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=+77.0kJ•mol^-1．
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ 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0.003mol•L^-1•min^-1．
②100℃時反應I的平衡常數為2.25×10^-4．
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將a mol CO與3a mol H₂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，對平衡體系產生的影響是C、D （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 的物質的量增加D．重新平衡c （ H₂ ）/c （CH₃OH ）減小
E．平衡常數K增大
（4）甲醇對水質會造成一定的污染，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Co²⁺-e^-=Co³⁺．
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．
③若右圖裝置中的電源為甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池，則電池負極的電極反應式：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，凈化含1mol甲醇的水燃料電池需消耗KOH2mol．

Answer 1

分析 （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，
Ⅰ-Ⅱ得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H，依據蓋斯定律計算反應熱；
（2）100℃時達到平衡時，甲烷轉化率為50%，結合化學平衡三段式列式計算平衡時各組分的物質的量；
①根據c=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計算v（H₂）；
②計算平衡狀態(tài)時各物質的濃度，代入平衡常數表達式計算；
（3）其他條件不變，平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，正、逆反應速率都增大，但正反應速率增大更多，平衡向正反應方向移動，生成物的濃度增大，由于溫度不變，則平衡常數不變，結合平衡常數可知，平衡時反應物各組分的濃度都增大，據此分析解答；
（4）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；
②以Co³⁺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⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
③依據燃料電池中燃料在負極失電子發(fā)生氧化反應，結合電荷守恒配平書寫電極反應，依據化學方程式計算消耗氫氧化鉀物質的量．

解答 解：（1）I：CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）=CO （ g ）+3H₂ （ g ）△H₁=+206.0kJ•mol^-1
II：CO （ g ）+2H₂ （ g ）=CH₃OH （ g ）△H₂=-129.0kJ•mol^-1，
Ⅰ-Ⅱ得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H，依據蓋斯定律：：△H=+206.0kJ/mol-（-129.0kJ/mol）=+77.0 kJ/mol，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應I，由圖象可知100℃甲烷轉化率為50%，故參加反應的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0       2.0      0         0
變化量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5       1.5      0.5      1.5
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=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②100℃時反應I的平衡濃度為c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，
平衡常數K=$\frac{0.005×0.01{5}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
（3）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，平衡向正反應方向移動，生成物的濃度增大，由于平衡常數不變，結合平衡常數可知，平衡時反應物各組分的濃度都增大，故A錯誤；
B．壓強增大，正、逆反應速率都增大，但正反應速率增大更多，故B錯誤；
C．壓強增大，平衡向正反應方向移動，CH₃OH 的物質的量增加，故C正確；
D．壓強增大，平衡向正反應方向移動，氫氣的物質的量減小、甲醇的物質的量增大，故重新平衡$\frac{c（H{\;}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小，故D正確；
E．平衡常數只受溫度影響，溫度不變，平衡常數不變，故E錯誤；
故答案為：CD；
（4）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，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6 Co²⁺+6H⁺；
③若3圖裝置中的電源為甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池，甲醇在負極失電子發(fā)生氧化反應，在堿溶液中生成碳酸鹽，則電池負極的電極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O，依據化學方程式計算分析2CH₃OH+3O₂+4KOH→2K₂CO₃+6H₂O，凈化含1mol甲醇的水燃料電池需消耗KOH物質的量2mol；
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；2．

點評 本題考查熱化學方程式書寫、化學平衡圖象、影響化學平衡因素、平衡常數與反應速率計算、原電池等，掌握基礎是解本題的關鍵，題目難度中等．