Question

20．甲醇可作為燃料電池的原料．以CH₄和H₂O為原料，通過(guò)下列反應(yīng)來(lái)制備甲醇．
Ⅰ：CH₄（g）+H₂O （g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0 kJ/mol
Ⅱ：CO （g）+2H₂ （g）═CH₃OH （g）△H=-129.0 kJ/mol
（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=+77.0 kJ/mol．
（2）將1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O（g）通入容積為100 L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，假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為15min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為0.001 mol•L^-1•min^-1．
（3）寫出甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)式：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
（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)室用下圖裝置模擬上述過(guò)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⁺．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)蓋斯定律將已知熱化學(xué)方程式變形運(yùn)算解答；
（2）列三段式表示各物質(zhì)起始量、轉(zhuǎn)化量、平衡量；依據(jù)反應(yīng)速率計(jì)算公式V=$\frac{△C}{△t}$計(jì)算解答；
（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；
（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⁺；
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⁺．

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：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△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；
（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
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)的平衡反應(yīng)速率V（H₂）=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{15min}$=0.001 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.001 mol•L^-1•min^-1；
（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，故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（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⁺．

點(diǎn)評(píng) 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(jì)算、原電池等，掌握基礎(chǔ)是解本題的關(guān)鍵，題目難度中等．