Question

I．甲醇是一种优质燃料，可制作燃料电池。工业上可用下列两种反应制备甲醇：

已知：CO(g) + 2H₂(g)  CH₃OH(g)   ΔH₁

CO₂(g) ＋ 3H₂(g)  CH₃OH(g)  +  H₂O(g)   ΔH₂   

2H₂(g)+ O₂(g)=2H₂O(g)   ΔH₃

则2CO(g)＋O₂(g)=2CO₂(g) 的反应热ΔH=____  ___（用ΔH₁、ΔH₂、ΔH₃表示）。

II．工业上可利用“甲烷蒸气转化法生产氢气”，反应为：CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)。

已知温度、压强和水碳比[n(H₂O)/ n(CH₄)]对甲烷平衡含量的影响如下图：

图1（水碳比为3）                         图2（800℃）

（1）温度对该反应的反应速率和平衡移动的影响是                             。

（2）其他条件不变，请在图2中画出压强为2 MPa时，CH₄平衡含量与水碳比之间关系曲线。（只要求画出大致的变化曲线）

（3）已知：在700℃，1MPa时，1mol CH₄与1mol H₂O在1L的密闭容器中反应，6分钟达到平衡，此时CH₄的转化率为80%，求这6分钟H₂的平均反应速率和该温度下反应的平衡常数是多少？（写出计算过程，结果保留小数点后一位数字。） 

III．某实验小组设计如图a所示的电池装置，正极的电极反应式为____                      ____。

 

Answer 1

【答案】

（16分）

I．2ΔH₁－2ΔH₂+ΔH₃（3分）

II．（1）其他条件不变，升高温度，反应速率加快，平衡向正反应方向移动。（或描述降温的变化，3分）

（2）如下图（2分）（形状1分，标注1分）

（3）计算过程为：（格式2分，速率1分，常数2分，共5分）

CH₄(g)+H₂O(g)     CO(g)+3H₂(g) 

起始浓度（mol/L） 1      1              0      0

变化浓度（mol/L）0.8     0.8            0.8     2.4

平衡浓度（mol/L）0.2     0.2            0.8     2.4

  

（平衡常数没写单位不扣分）

III．O₂ + 2H₂O + 4e^－=4OH^－（3分）

【解析】

试题分析：I．先将4个热化学方程式依次编号为①②③④，再观察、比较后可得：①×2—②×2+③=④，由盖斯定律可知，④的焓变=①的焓变×2—②的焓变×2+③的焓变=2ΔH₁－2ΔH₂+ΔH₃；II．（1）先读图1，发现在1Mpa或2Mpa、600℃～1000℃时，随着温度的升高，甲烷平衡含量均逐渐减小，说明平衡向正反应方向移动；再根据温度对化学反应速率和化学平衡的影响规律，当其他条件不变时，升高温度，反应速率加快，平衡向吸热反应方向或正反应方向移动，则甲烷蒸气转化为氢气的正反应是吸热反应；（2）画图要点：①甲烷蒸气转化为氢气的正反应是气体体积增大的反应，当温度和水碳比保持不变时，增大压强，平衡向气体体积减小方向或逆反应方向移动，则甲烷平衡含量增大，因此2MPa时甲烷平衡含量与水碳比之间关系曲线一定高于1MPa时甲烷平衡含量与水碳比之间关系曲线；②当温度和压强保持不变时，随着水碳比的增大，甲烷平衡含量逐渐减小；（3）依题意可知该可逆反应中各组分起始、变化、平衡浓度，则：

CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g) 

起始浓度（mol/L）    1      1        0      0

变化浓度（mol/L）   0.8     0.8      0.8     2.4

平衡浓度（mol/L）   0.2     0.2      0.8     2.4

根据平均反应速率的定义式，v(H₂)===0.4mol/(L•min)

根据化学平衡常数的定义式，K==mol²/L²≈276.5 mol²/L²

III．甲醇燃料电池中正极的主要反应物为氧气，氧元素由0降为—2价，则1个氧气分子得到4个电子，在KOH溶液中只能用氢氧根离子使反应物和产物的电荷守恒，则O₂+4e^－→4OH^－；左边比右边少4个H、2个O原子，根据氢、氧原子个数守恒可知反应物中还有2H₂O，则正极反应式为O₂ +4e^－+2H₂O =4OH^－。

考点：考查化学反应原理，涉及根据盖斯定律求焓变、根据化学平衡图像得出温度对反应速率和平衡移动的影响规律、根据压强对化学平衡的影响规律画出图像、根据各组分（起始、变化、平衡）浓度模型法计算平均反应速率和平衡常数、碱性甲醇-空气燃料电池的正极反应式等。