题目内容
近来，制备和利用氢气这一清洁能源已有多项成果．（1）德国克莱斯公司成功研制了利用甲醇CH3OH）车载制氢燃料电池工艺，其原理如图1所示，请观察此图回答：
①此碱性燃料电池的正极反应式为
②甲醇与水反应制取氢气的化学方程式
（2）美国Bay等工厂使用石油热裂解的副产物甲烷来制取氢气，其生产流程如图2：
①此流程的第II步反应为：CO（g）+H2O（g）
H2（g）+CO2（g），平衡常数随温度的变化如下表．
在830℃，n（CO）、n（H2O）、n（H2）、n（CO2）的物质的量分别是1、5、2、3投入恒容反应器发生上述反应，反应开始时，向
②若400℃时，第Ⅱ步反应生成l mol氢气放出的热量为33.2kJ，第I步反应的热化学方程式为：CH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol-1 则400℃时，甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式为
（3）工业上有一种用CO2来生产甲醇燃料的方法：
CO2（g）+3H2（g）
CH3OH（g）+H2O（g）△H=-49.0kJ?mol-1
将6molCO2和8molH2充入2L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图3所示（实线）．
①a点正反应速率
②求平衡时氢气的转化率
③仅改变某一实验条件再进行两次实验，测得H2的物质的量随时间变化如图3虚线所示，曲线I对应的实验条件改变是
①此碱性燃料电池的正极反应式为
O2+2H2O+4e-=4OH-
O2+2H2O+4e-=4OH-
；②甲醇与水反应制取氢气的化学方程式
CH3OH+H2O?3H2+CO2
CH3OH+H2O?3H2+CO2
．（2）美国Bay等工厂使用石油热裂解的副产物甲烷来制取氢气，其生产流程如图2：
①此流程的第II步反应为：CO（g）+H2O（g）
| 高温 |
| 温度/℃ | 400 | 500 | 830 | 1000 |
| 平衡常数K | 10 | 9 | 1 | 0.6 |
逆
逆
（填正、逆）反应方向进行．②若400℃时，第Ⅱ步反应生成l mol氢气放出的热量为33.2kJ，第I步反应的热化学方程式为：CH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol-1 则400℃时，甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式为
CH4（g）+2H2O（g）=CO2（g）+4H2（g）△H=-136.5kJ?mol-1
CH4（g）+2H2O（g）=CO2（g）+4H2（g）△H=-136.5kJ?mol-1
．（3）工业上有一种用CO2来生产甲醇燃料的方法：
CO2（g）+3H2（g）
将6molCO2和8molH2充入2L的密闭容器中，测得H2的物质的量随时间变化如图3所示（实线）．
①a点正反应速率
大于
大于
（填大于、等于或小于）逆反应速率．②求平衡时氢气的转化率
75%
75%
和该条件下反应的平衡常数K=0.5
0.5
．③仅改变某一实验条件再进行两次实验，测得H2的物质的量随时间变化如图3虚线所示，曲线I对应的实验条件改变是
升高温度
升高温度
，曲线II对应的实验条件改变是增大压强
增大压强
．分析：（1）①正极上是氧气得电子发生还原反应生成OH-；
②根据元素守恒甲醇与水反应制取氢气和二氧化碳；
（2）①根据Qc=
与K的大小关系判断；
②ⅠCO（g）+H2O（g）?H2（g）+CO2（g）△H=-33.2kJ?mol-1，
ⅡCH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol-1，
由盖斯定律可知，Ⅰ+Ⅱ得到CH4（g）2+H2O（g）=4H2（g）+CO2（g）；
（3）①a点时还没有达到平衡状态，从反应物的物质的量的变化趋势判断反应进行的方向，依次判断正逆反应速率大小；
②根据已知反应物的量，利用三段式，求出平衡时各物质的物质的量，再求转化率和平衡常数；
③从虚线变化判断达到平衡时反应物的转化的物质的量来分析，曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，应是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动，曲线Ⅲ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，平衡正向移动，应是增大压强．
②根据元素守恒甲醇与水反应制取氢气和二氧化碳；
（2）①根据Qc=
| c(H2)c(CO2) |
| c(CO)c(H2O) |
②ⅠCO（g）+H2O（g）?H2（g）+CO2（g）△H=-33.2kJ?mol-1，
ⅡCH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol-1，
由盖斯定律可知，Ⅰ+Ⅱ得到CH4（g）2+H2O（g）=4H2（g）+CO2（g）；
（3）①a点时还没有达到平衡状态，从反应物的物质的量的变化趋势判断反应进行的方向，依次判断正逆反应速率大小；
②根据已知反应物的量，利用三段式，求出平衡时各物质的物质的量，再求转化率和平衡常数；
③从虚线变化判断达到平衡时反应物的转化的物质的量来分析，曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，应是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动，曲线Ⅲ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，平衡正向移动，应是增大压强．
解答：解：（1）①正极上是氧气得电子发生还原反应生成OH-其电极反应方程为：O2+2H2O+4e-=4OH-，故答案为：O2+2H2O+4e-=4OH-；
②甲醇与水反应制取氢气和二氧化碳，其反应方程为：CH3OH+H2O?3H2+CO2，故答案为：CH3OH+H2O?3H2+CO2；
（2）①Qc=
=
=1.2＞K=1，所以平衡逆移，故答案为：逆；
②ⅠCO（g）+H2O（g）?H2（g）+CO2（g）△H=-33.2kJ?mol-1，
ⅡCH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol-1，
由盖斯定律可知，Ⅰ+Ⅱ得到CH4（g）2+H2O（g）=4H2（g）+CO2（g）△H=-136.5kJ?mol-1，
故答案为：CH4（g）+2H2O（g）=CO2（g）+4H2（g）△H=-136.5kJ?mol-1；
（3）①（1）a点时还没有达到平衡状态，反应物氢气的物质的量继续减小，平衡向正向移动，所以正反应速率大于逆反应速率，故答案为：大于；
②设参加反应的二氧化碳为nmol；
CO2（g）+3H2（g）
CH3OH（g）+H2O
起始的量：6mol 8mol
反应的量：n 3n n n
平衡的量：6-n 8-3n n n
已知平衡时：氢气的物质的量为2mol，所以8-3n=2，即n=2mol，所以CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度分别为：2mol/L，1mol/L，1mol/L，1mol/L；
所以平衡时氢气的转化率为：
×100%=75%，K=
=
=0.5，
故答案为：75%；0.5；
③曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，应是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动，不利于氢气的转化，故曲线I是升高温度；曲线Ⅲ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，因增大压强平衡正向移动，故应是增大压强，故答案为：升高温度；增大压强．
②甲醇与水反应制取氢气和二氧化碳，其反应方程为：CH3OH+H2O?3H2+CO2，故答案为：CH3OH+H2O?3H2+CO2；
（2）①Qc=
| c(H2)c(CO2) |
| c(CO)c(H2O) |
| ||||
|
②ⅠCO（g）+H2O（g）?H2（g）+CO2（g）△H=-33.2kJ?mol-1，
ⅡCH4（g）+H2O（g）=3H2（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol-1，
由盖斯定律可知，Ⅰ+Ⅱ得到CH4（g）2+H2O（g）=4H2（g）+CO2（g）△H=-136.5kJ?mol-1，
故答案为：CH4（g）+2H2O（g）=CO2（g）+4H2（g）△H=-136.5kJ?mol-1；
（3）①（1）a点时还没有达到平衡状态，反应物氢气的物质的量继续减小，平衡向正向移动，所以正反应速率大于逆反应速率，故答案为：大于；
②设参加反应的二氧化碳为nmol；
CO2（g）+3H2（g）
起始的量：6mol 8mol
反应的量：n 3n n n
平衡的量：6-n 8-3n n n
已知平衡时：氢气的物质的量为2mol，所以8-3n=2，即n=2mol，所以CO2、H2、CH3OH、H2O的浓度分别为：2mol/L，1mol/L，1mol/L，1mol/L；
所以平衡时氢气的转化率为：
| 2×3mol |
| 8mol |
| c(CH3OH)c(H2O) |
| c(CO2)c3(H2) |
| 1×1 |
| 2×13 |
故答案为：75%；0.5；
③曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，应是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动，不利于氢气的转化，故曲线I是升高温度；曲线Ⅲ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，因增大压强平衡正向移动，故应是增大压强，故答案为：升高温度；增大压强．
点评：此题考查化学反应速率或平衡的图象和热化学反应方程式，考查计算反应速率的大小比较以及反应物转化的多少，注意把握对题目图象的分析．题目较为综合，具有一定难度．
练习册系列答案
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