Question

利用光能和光催化剂，可将CO₂和H₂O（g）转化为CH₄和O₂．紫外光照射时，在不同催化剂（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）作用下，CH₄的产量随光照时间的变化如图1所示．
（1）在O?30小时内，CH₄的平均生成速率v（Ⅰ）、v（Ⅱ）和v（Ⅲ）由大到小的顺序为

 

；反应开始后的15小时内，在第

 

种催化剂的作用下，收集的CH₄最多．
（2）将所得CH₄与H₂O（g）通入聚焦太阳能反应器，发生反应CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）；△H=+206kJ．mol^-1．将等物质的量的CH₄和H₂O（g）充入1L恒容密闭容器，某温度下反应达到平衡，此时测得CO的物质的量为O.10mol，CH₄的平衡转化率为91%，则此温度下该反应的平衡常数为

 

 （计算结果取整数）．
（3）该反应产生的CO和H₂可用来合成可再生能源甲醇，已知CO（g）、CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，则CH₃OH（l）不完全燃烧生成CO（g）和H₂O（l）的热化学方程式为

 

．
（4）工业上常利用反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），△H＜0合成甲醇，在230℃?270℃最为有利．为研究合成气最合适的起始组成比n（H₂）：n（CO），分别在230℃、250℃和270℃进行实验，结果如图2．
①270℃的实验结果所对应的曲线是

 

 （填字母）；
②230℃时，工业生产适宜釆用的合成气组成n（H₂）：n（CO）的比值范围是

 

 （填字母）．
A.1?1.5   B.2.5?3  C.3.5?4.5
（5）某同学以石墨为电极，以KOH溶液为电解质设计甲醇燃料电池，其负极的电极反应式为

 

．

Answer 1

分析：（1）相同时间甲烷的物质的量的变化量越大，表明平均速率越大，相同时间甲烷的物质的量的变化量越小，平均反应速率越小．由图2可知反应开始后的15小时内，在第Ⅱ种催化剂的作用下，收集的CH₄最多；
（2）依据化学平衡的三段式计算列式计算，根据转化率和平衡常数的概念计算；
（3）根据CO和CH₃OH的燃烧热先书写热方程式，再利用盖斯定律来分析甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式；
（4）依据反应是放热反应，温度越高，反应物转化率越小；CO为有毒气体反应时尽可能完全转化；
（5）在燃料电池中，负极上是燃料发生失电子的氧化反应，甲醇在负极失去电子生成碳酸根离子．

解答：解：（1）由图2可知，在0～30h内，甲烷的物质的量变化量为△n（Ⅰ）＞△n（Ⅱ）＞△n（Ⅲ），故在0～30h内，CH₄的平均生成速率v（Ⅲ）＜v（Ⅱ）＜v（Ⅰ）；
由图2可知反应开始后的15小时内，在第Ⅱ种催化剂的作用下，收集的CH₄最多，
故答案为：v（Ⅰ）＞v（Ⅱ）＞v（Ⅲ）；Ⅱ；
（2）解：依据化学平衡的三段式列式计算，设CH₄与H₂O（g）物质的量为a，
                CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）    a      a         0      0
变化量（mol）   0.10   0.10      0.10    0.30
平衡量（mol）   a-0.10  a-0.10   0.10     0.30
CH₄的平衡转化率为91%，则x=

0.1

a

×100%=91%，所以a=0.11；
所以平衡时c（ CH₄）=0.01mol/L，c（ H₂O）=0.01mol/L，c（ CO）=0.1mol/L，c（ H₂）=0.3mol/L，
则平衡常数：K=

C(CO)C3(H2)

C(CH4)C(H2O)

=

0.10mol/L×(0.30mol/L)3

0.01mol/L×00.1mol/L

=27（mol?L^-1）²，
故答案为：27 （mol?L^-1）²；
（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，则
①CO（g）+1/2O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1 
②CH₃OH（l）+3/2O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1 
由盖斯定律可知用②-①得反应CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），该反应的反应热△H=-726.5kJ?mol^-1-（-283.0kJ?mol^-1）=-443.5kJ?mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
（4）工业上用反应④低压合成甲醇，在230℃～270℃最为有利．为研究合成气最合适的起始组成比，分别在230℃、250℃和270℃进行实验，结果如图．合成甲醇是放热反应，温度越低转化率越大，结合图象可知，270℃的实验结果所对应的曲线是 Z；230℃时，工业生产釆用的合成气组成n（H₂）：n（CO）的比值为2.5?3时，CO转化率已经很高，故选B．
故答案为：Z；B；
（5）在甲醇燃料电池中，负极上是燃料甲醇失电子发生氧化反应，在碱性环境下，电极反应为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

点评：本题考查了化学平衡常数的计算，热化学方程式的书写，盖斯定律的应用，化学平衡的进行方向，电极方程式的书写，题目难度较大．