Question

【題目】以CH4和 H2O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如下：

已知：2CO(g)＋O2(g)＝2CO2(g)△H＝－566 kJ·mol-1，CH3OCH3 (g)＋3O2(g)＝2CO2(g)＋3H2O (g) △H＝－1323 kJ·mol-1，2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(g)△H＝－484 kJ·mol-1。

（1）反應室3中發(fā)生反應：CO(g)＋2H2(g)＝CH3OH(g)。該反應在一定條件下能自發(fā)進行的原因是_____。

（2）反應室2中發(fā)生反應：2CO(g)＋4H2(g)＝CH3OCH3(g)＋H2O (g) △H＝_____。

（3）反應室1中發(fā)生反應：CH4(g)＋H2O (g) CO(g)＋3H2(g)。對此反應進行如下研究：T℃時，向容積為2 L的密閉容器中充入一定量的CH4(g)和H2O (g)進行反應，實驗測得反應過程中的部分數(shù)據(jù)見下表（表中t1＜t2）：

反應時間/min	n(CH4)/mol	n(H2O)/ mol
0	1.20	0.60
t1	0.80
t2		0.20

①反應從開始到t1分鐘時的平均反應速率為v(H2)=_______mol·L-1·min-1。

②若保持其他條件不變，起始時向容器中充入0.60 mol CH4和1.20 mol H2O，反應一段時間后，測得容器中H2的物質(zhì)的量為0.60 mol，則此時v正______v逆（填“>”、“<”或“=”）。

③若上述反應改變某一條件，測得H2的物質(zhì)的量隨時間變化見圖中曲線B（A為原反應的曲線），則改變的條件可能是_________。

（4）以反應室1出來的CO和H2為燃料，一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物為電解質(zhì)構(gòu)成的一種碳酸鹽燃料電池如右上圖所示。

①該電池的正極反應式為_____。

②若電路中流過4 mol電子，則理論上消耗CO和H2的總體積為________L（標準狀況）。

Answer 1

【答案】△H<0 －211kJ/mol 0.6/t1 ＞ 減小壓強或及時分離出CO O2＋2CO2＋4e－＝2CO32－ 44.8 L

【解析】

（1）CO(g)＋2H2(g)＝CH3OH(g)的△S<0，由一定條件下能自發(fā)進行可知△G=△H-T△S<0，則△H<0，故答案為：△H<0。

（2）根據(jù)蓋斯定律，通過①+③×2-②可得反應2CO(g)＋4H2(g)＝CH3OCH3(g)＋H2O(g)的△H＝(－566kJ·mol-1)+2×(－484kJ·mol-1)－(－1323kJ·mol-1)=－211kJ/mol，故答案為：－211kJ/mol。

（3）①由于在t1分鐘內(nèi)v(CH4)=Δc/Δt==0.2/t1 mol·L-1·min-1，根據(jù)各物質(zhì)的反應速率之比等于化學方程式中各物質(zhì)的化學計量數(shù)之比可知：v(H2)=3v(CH4)=0.6/t1mol·L-1·min-1，故答案為：0.6/t1。

②CH4和H2O按物質(zhì)的量比1:1反應，充入1.2molCH4和0.6molH2O與充入0.6molCH4和1.2molH2O，平衡時生成物的濃度對應相同，t1分鐘時，n(CH4)=0.8mol，n(H2O)=0.6mol-0.4mol=0.2mol，t2分鐘時，n(H2O)=0.2mol，說明t1分鐘時反應已經(jīng)達到平衡狀態(tài)。

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始（mol/L） 0.6 0.3 0 0

轉(zhuǎn)化（mol/L） 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡（mol/L） 0.4 0.1 0.2 0.6

平衡常數(shù)K===1.08

充入0.6molCH4和1.2molH2O，反應一段時間后，測得容器中H2的物質(zhì)的量為0.60mol，

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始（mol/L） 0.3 0.6 0 0

轉(zhuǎn)化（mol/L） 0.1 0.1 0.1 0.3

一段時間后（mol/L） 0.2 0.5 0.1 0.3

Qc===0.027，由于K＞Qc，此時向正反應方向進行，v正＞v逆，故答案為：＞。

③根據(jù)圖像可知，改變某一條件，H2的物質(zhì)的量增大，達到平衡所需的時間變長，故平衡向正反應方向進行，所以可以采取減小壓強或及時分離出CO的措施，故答案為：減小壓強或及時分離出CO。

（4）①碳酸鹽燃料電池中通氧氣的電極一定為正極，通入燃料的電極一定為負極，氧氣在該電極上發(fā)生還原反應，電極方程式為：2CO2+O2+4e-=2CO32-，故答案為：2CO2+O2+4e-=2CO32-。

②根據(jù)圖示，碳酸鹽燃料電池總的電極方程式為：H2+CO+O2=CO2+H2O，若電路中流過4mol電子，則理論上消耗CO和H2的物質(zhì)的量為2mol，標準狀況下總體積為2mol×22.4L/mol=44.8L，故答案為：44.8L。