Question

17．甲醇是未来重要的绿色能源之一，以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应来制备甲醇．
Ⅰ、CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0KJ/mol
Ⅱ、CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0KJ/mol
（1）CH₄（g）与H₂（g）反应生成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式为CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol，根据化学反应原理，此反应采用和条件为b．（从下列选项中选填编号）
a．高温、高压  b．高温、常压 c．常温、常压  d．常温、高压
（2）将CH₄和H₂O（g）通入一定容积的密闭容器中，在一定温度下发生反应Ⅰ和Ⅱ，测得各物质的浓度变化如图1（部分物质未画出）

①t₁时刻达到平衡时，c（CH₃OH）=0.1mol/L；
②此条件下反应Ⅰ的平衡常数为0.027（结果保留小数点后3位）；
③若t₂时刻改变某一条件，各物质的浓度变化如图所示，则改变的条件可能为：降低温度或冷凝液化分离出甲醇（任答出一种合理的改变即可）
（3）甲醇对水质会造成一定的污染，有一种电化学法可消除这种污染，其原理是：通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺作氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，实验室用如图2模拟上述过程：
①写出阳极电极反应式Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②写出除去甲醇的离子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）由盖斯定律可知①-②得到CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式，反应前后气体体积不变，反应是吸热反应，使反应正向进行的适宜条件是高温常压；
（2）①图象中纵轴上每个单位为0.1mol/L，起始量c（H₂O）=1.0mol/L，c（CH₄）=0.5mol/L，t₁平衡状态下c（H₂O）=0.8mol/L，c（CH₄）=0.3mol/L，c（CO）=0.1mol/L，结合化学方程式计算平衡浓度；
②平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
③若t₂时刻改变某一条件，甲烷、水蒸气浓度减小，一氧化碳浓度增大，说明平衡正向进行，结合影响平衡因素和反应特征，反应是放热反应，分离生成物、降低温度平衡正向进行；
（3）①通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，自身被还原为Co²⁺，原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

解答 解：（1）已知①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol，②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol，由盖斯定律可知①-②得到CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol，反应前后气体体积不变，反应是吸热反应，使反应正向进行的适宜条件是高温常压，增大压强对反应速率增大，但平衡不动不能增加生成物产率，故选b；
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol；b；
（2）①将CH₄和H₂O（g）通入一定容积的密闭容器中，在一定温度下发生反应Ⅰ和Ⅱ，图象中纵轴上每个单位为0.1mol/L，起始量c（H₂O）=1.0mol/L，c（CH₄）=0.5mol/L，t₁平衡状态下c（H₂O）=0.8mol/L，c（CH₄）=0.3mol/L，c（CO）=0.1mol/L，
Ⅰ、CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0KJ/mol
起始量（mol/L） 0.5     1         0      0
变化量（mol/L） 0.2     0.2      0.2     0.6 
平衡量（mol/L） 0.3     0.8      0.2     0.6
Ⅱ、CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0KJ/mol
起始量（mol/L） 0.2     0.6         0    
变化量（mol/L） 0.1     0.2        0.1     
平衡量（mol/L） 0.1      0.4       0.1
所以平衡状态甲醇浓度为0.1mol/L，
故答案为：0.1；
②结合上述计算得到平衡状态下物质的平衡浓度，所以反应Ⅰ平衡常数K=$\frac{0.1×0．{4}^{3}}{0.3×0.8}$=0.027，
故答案为：0.027；
③分析图象可知，t₂时刻改变某一条件，甲烷、水蒸气浓度减小，一氧化碳浓度增大，说明平衡正向进行，结合影响平衡因素和反应特征，反应是放热反应，分离生成物、降低温度平衡正向进行；
故答案为：降低温度或冷凝液化分离出甲醇；
（3）①通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co²⁺-e^-=Co³⁺；
故答案为：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，自身被还原为Co²⁺，结合原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写离子方程式为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

点评 本题考查了热化学方程式的书写，盖斯定律的应用，原电池和电解池原理的综合应用，化学平衡的影响因素分析，反应速率的计算，离子方程式的书写，题目综合性大，难度中等