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(yīng)反應(yīng)來制備甲醇．
反應(yīng)I：CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）═CO （ g ）+3H₂ （ g ）△H=+206.0kJ•mol^-1
反應(yīng)II：CO （ g ）+2H₂ （ g ）═CH₃OH （ g ）△H=-129.0kJ•mol^-1
（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L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(qiáng)下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖1．
①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為0.03 mol•L^-1•min^-1．
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為2.25×10^-2．
③可用來判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的標(biāo)志有AD．（填字母）
A．CO的含量保持不變                 B．容器中CH₄濃度與CO濃度相等
C．容器中混合氣體的密度保持不變       D．3V_正（CH₄）=V_逆（H₂）
（2）按照反應(yīng)II來生成甲醇，按照相同的物質(zhì)的量投料，測得CO在不同溫度下的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖2所示．下列說法正確的是C
A．溫度：T₁＞T₂＞T₃
B．正反應(yīng)速率：ν（a）＞ν（c）； ν（b）＞ν（d）
C．平衡常數(shù)：K（a）＞K（c）； K（b）=K（d）
D．平均摩爾質(zhì)量：M（a）＜M（c）； M（b）＞M（d）
（3）工業(yè)上利用甲醇制備氫氣的常用方法之一為：甲醇蒸汽重整法．該法中的一個(gè)主要反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行的原因是該反應(yīng)是一個(gè)熵增的反應(yīng)，△S＞0．
（4）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(shí)驗(yàn)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⁺．
③若如圖3裝置中的電源為甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池，則電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．

Answer 1

分析 （1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)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根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率；
②平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$；
③可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些物理量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說明到達(dá)平衡；
（2）A．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，CO的轉(zhuǎn)化率越大；
B．由圖可知，a、c兩點(diǎn)壓強(qiáng)相同，平衡時(shí)a點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率更高，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，CO的轉(zhuǎn)化率越大，故溫度T₁＜T₃，溫度越高，反應(yīng)速率越快；b、d兩點(diǎn)溫度相同，壓強(qiáng)越高，反應(yīng)速率越大；
C．由圖可知，a、c兩點(diǎn)壓強(qiáng)相同，溫度T₁＜T₃，降低溫度平衡向正反應(yīng)方向移動，平衡常數(shù)K增大；平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，b、d兩點(diǎn)溫度相同，平衡常數(shù)相同；
D．CO轉(zhuǎn)化率的越大，n_總越小，結(jié)合M=$\frac{m}{n}$判斷；
（3）反應(yīng)CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的△H＞0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行需要滿足△H-T△S＜0；
（4）①陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，通電后，將Co²⁺氧化成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⁺，結(jié)合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺；
③甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，在堿溶液中生成碳酸鹽與水．

解答 解：（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)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(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.03 mol•L^-1•min^-1；
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.05mol/L，c（H₂O）=0.15mol/L，c（CO）=0.05mol/L，c（H₂）=0.15mol/L，則平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.05×0.1{5}^{3}}{0.05×0.15}$=2.25×10^-2，
故答案為：2.25×10^-2；
③A．CO的含量保持不變，說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故A正確；
B．容器中CH₄濃度與CO濃度相等，與消耗量和起始量有關(guān)反應(yīng)，不一定達(dá)到平衡，故B錯(cuò)誤；
C．混合氣體質(zhì)量不變，體積不變，反應(yīng)過程中密度不變，容器中混合氣體的密度保持不變不能說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故C錯(cuò)誤；
D．反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式系數(shù)之比是正反應(yīng)速率之比，則3V_正（CH₄）=V_正（H₂），若3V_正（CH₄）=V_逆（H₂）說明V_正（H₂）=V_逆（H₂），說明反應(yīng)達(dá)到平衡，故D正確；
故答案為：AD；
（3）A．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，CO的轉(zhuǎn)化率越大，則T₁＜T₂＜T₃，故A錯(cuò)誤；
B．由圖可知，a、c兩點(diǎn)壓強(qiáng)相同，平衡時(shí)a點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率更高，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，CO的轉(zhuǎn)化率越大，故溫度T₁＜T₃，溫度越高，反應(yīng)速率越快，故υ（a）＜υ（c）；b、d兩點(diǎn)溫度相同，壓強(qiáng)越大，反應(yīng)速率越大，b點(diǎn)大于d點(diǎn)壓強(qiáng)，則v（b）＞v（d），故B錯(cuò)誤；
C．由圖可知，a、c兩點(diǎn)壓強(qiáng)相同，溫度T₁＜T₃，降低溫度平衡向正反應(yīng)方向移動，則K（a）＞K（c），平衡常數(shù)只與溫度有關(guān)，b、d兩點(diǎn)溫度相同，平衡常數(shù)相同，則K（b）=K（d），故C正確；
D．CO轉(zhuǎn)化率的越大，n_總越小，由M=$\frac{m}{n}$可知，則M（a）＞M（c），M（b）＞M（d），故D錯(cuò)誤；
故選：C；
（4）甲醇蒸汽重整法．該法中的一個(gè)主要反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），該反應(yīng)△H＞0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行需要滿足△H-T△S＜0，所以反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行是因?yàn)樵摲磻?yīng)是熵增大的反應(yīng)；
故答案為：該反應(yīng)是一個(gè)熵增的反應(yīng)，△S＞0；
（5）①陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，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⁺，
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⁺，結(jié)合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
③甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，在堿溶液中生成碳酸鹽，則電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、平衡狀態(tài)判斷、平衡常數(shù)、反應(yīng)自發(fā)性、電化學(xué)等，是對學(xué)生綜合能力的考查，難度中等．