Question

8．甲醇可作为燃料电池的原料．CH₄和H₂O为原料，通过下列反应反应来制备甲醇．
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
（1）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=+77kJ•mol^-1．
（2）将1．OmolCH₄和2.0molH₂O（g）通入容积为100L的反应室，在一定条件下发生反应I，测得在一定的压强下CH₄的转化率与温度的关系如图1．

①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示该反应的平均反应速率为0.003 mol•L^-1•min^-1．
②100℃时反应I的平衡常数为2.25×10^-4．
（3）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将amolCO与3amolH₂的混合气体在催化剂作用下发生反应II生成甲醇，平衡后将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．（填字母序号）．
A．c（H₂）减少；B．正反应速率加快，逆反应速率减慢；C．CH₃OH的物质的量增加；D．重新平衡c（H₂）/c（CH₃OH）减小；E．平衡常数K增大
（4）写出甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池正极的电极反应式：Co²⁺-e^-=Co³⁺．
（5）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Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化．实验室用图2装置模拟上述过程：
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）已知，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
依据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g），反应热也进行相应计算；
（2）由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：
            CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始（mol）：1.0      2.0      0        0
变化（mol）：0.5      0.5      0.5      1.5
平衡（mol）：0.5      1.5      0.5      1.5
①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算H₂表示该反应的平均反应速率；
②根据K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$计算；
（3）平衡后将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，其他条件不变，体积减小压强增大，正、逆反应速率增大，正反应速率增大更多，平衡正向进行，平衡常数只受温度影响，与浓度无关，则平衡常数不变，结合平衡常数可知，平衡时反应物各组分的浓度都增大；
（4）负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水；
（5）①阳极发生氧化反应，Co²⁺失去电子生成Co³⁺；
②Co³⁺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⁺，配平书写离子方程式．

解答 解：（1）已知，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
依据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77kJ•mol^-1；
（2）由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：
           CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始（mol）：1.0     2.0       0        0
变化（mol）：0.5     0.5       0.5      1.5
平衡（mol）：0.5     1.5       0.5      1.5
①H₂表示该反应的平均反应速率为=$\frac{\frac{1.5mol}{100mL}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②平衡浓度为c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，平衡常数K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.005×0.01{5}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案为：2.25×10^-4；
（3）平衡后将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，其他条件不变，体积减小压强增大，平衡正向进行．
A．生成物浓度增大，结合平衡常数不变，可知c（H₂）增大，故A错误；
B．压强增大，正、逆反应速率都加快，但正反应速率增大更多，故B错误；
C．平衡正向进行，CH₃OH的物质的量增加，故C正确；
D．平衡正向进行，氢气物质的量减小，甲醇物质的量增大，故重新平衡时$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$减小，故D正确；
E．平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数不变，故E错误，
故选：CD；
（4）负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水，负极电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
（5）①阳极发生氧化反应，Co²⁺失去电子生成Co³⁺，电极反应式为：Co²⁺-e^-=Co³⁺，
故答案为：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②Co³⁺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 本题属于拼合型题目，涉及热化学方程式书写、化学平衡图象、化学平衡影响因素、平衡常数与反应速率计算、原电池等，是对学生综合能力的考查，题目难度中等．