Question

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�。╣）+H₂O�。╣）=CO�。╣）+3H₂�。╣）△H=+206.0kJ?mol^-1
Ⅱ：CO�。╣）+2H₂�。╣）=CH₃OH　（g）△H=-129.0kJ?mol^-1
（1）將1.0mol CH₄和1.0mol 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，測得在一定的壓強下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖．

假設(shè)100℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為

 

．
（2）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將a mol CO與2a mol H₂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

1

2

，其他條件不變，對平衡體系產(chǎn)生的影響是

 

（填字母序號）
A．平衡常數(shù)K增大    
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

c(H2)

c(CH3OH)

減小
（3）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⁺做氧化劑再把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．
若圖2裝置中的電源為甲醇一空氣-KOH溶液的燃料電池，則電池正極的電極反應(yīng)式：

 

，該電池工作時，溶液中的OH^-向

 

極移動．凈化合1mol甲醇的水，燃料電池轉(zhuǎn)移電子

 

mol．寫出凈化甲醇的離子方程式

 

．

Answer 1

考點：反應(yīng)速率的定量表示方法,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡的影響因素

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）100℃時達(dá)到平衡時，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計算平衡時各組分的物質(zhì)的量；再根據(jù)v（H₂）=

△c

t

進行計算；
（2）其他條件不變，平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，壓強增大，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，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，平衡時反應(yīng)物各組分的濃度都增大，據(jù)此分析解答；
（3）負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，則負(fù)極帶正電，故OH^-向負(fù)極移動；正極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣在正極得到電子；
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⁺；再根據(jù)關(guān)系式CH₃OH～6e^-進行計算．

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
則v（H₂）=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
（2）A．平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變，故A錯誤；    
B．壓強增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，故B錯誤；
C．壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，CH₃OH 的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，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c

c(H2)

c(CH3OH)

減小，故D正確；
故答案為：CD；
（3）正極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣在正極得到電子，電極反應(yīng)式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，故負(fù)極帶正電，故OH^-向負(fù)極移動；
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⁺；由CH₃OH～6e^-可知：凈化含1mol甲醇的水，燃料電池轉(zhuǎn)移6mol電子，
故答案為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，負(fù)，6，6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

點評：本題考查熱化學(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)速率計算、原電池等，題目難度較大．