Question

15．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)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(yīng)生成CH₃OH （g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g） H=+77kJ•mol^-1．
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測(cè)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0.003 mol•L^-1•min^-1．
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
（3）在壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將amol CO與3amolH₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)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(duì)平衡體系產(chǎn)生的影響是CD （填字母序號(hào)）．
A．c（ H₂ ）減少
B．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率減慢
C．CH₃OH 的物質(zhì)的量增加
D．重新平衡c （ H₂ ）/c （CH₃OH ）減小
E．平衡常數(shù)K增大
（4）甲醇對(duì)水質(zhì)會(huì)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2裝置模擬上述過程：
①寫出陽(yáng)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若圖2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：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）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(yīng)熱也進(jìn)行需要計(jì)算；
（2）100℃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，
①根據(jù)c=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
②計(jì)算平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$；
（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(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于溫度不變，則平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，據(jù)此分析解答；
（4）①陽(yáng)極發(fā)生氧化反應(yīng)，Co²⁺失去電子氧化生成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⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺；
③負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，總反應(yīng)為：2CH₃OH+3O₂+4KOH═2K₂CO₃+6H₂O．

解答 解：（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
依據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ得到：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）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=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.050mol/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）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，故A錯(cuò)誤；
B．壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，故B錯(cuò)誤；
C．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CH₃OH 的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)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(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變，故E錯(cuò)誤，
故答案為：CD；
（4）①．通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽(yáng)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⁺，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⁺；
③．負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O，總反應(yīng)為：2CH₃OH+3O₂+4KOH═2K₂CO₃+6H₂O，凈化含1mol甲醇的水燃料電池需消耗2mol KOH，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；2．

點(diǎn)評(píng) 本題屬于拼合型題目，涉及熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象、影響化學(xué)平衡因素、平衡常數(shù)與反應(yīng)速率計(jì)算、原電池與電解原理等，題目難度中等．