题目内容

甲醇可作为燃料电池的原料.以CH4和H2O为原料,通过下列反应反应来制备甲醇.
反应I:CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)△H=+206.0kJ?mol-1
反应II:CO (g)+2H2 (g)=CH3OH (g)△H=-129.0kJ?mol-1
(1)CH3OH (g)和H2(g)反应生成CH4(g)与H2O(g)的热化学方程式为
CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1

(2)将1.0mol CH4和2.0mol H2O ( g )通入容积固定为10L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
0.03 mol?L-1?min-1
0.03 mol?L-1?min-1

②100℃时反应I的平衡常数为
2.25×10-2
2.25×10-2

③可用来判断该反应达到平衡状态的标志有
A D
A D
.(填字母)
A.CO的含量保持不变                  
B.容器中CH4浓度与CO浓度相等
C.容器中混合气体的密度保持不变       
D.3V(CH4)=V(H2
(3)按照反应II来生成甲醇,按照相同的物质的量投料,测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图2所示.下列说法正确的是
C
C

A.温度:T1>T2>T3
B.正反应速率:ν(a)>ν(c); ν(b)>ν(d)
C.平衡常数:K(a)>K(c); K(b)=K(d)
D.平均摩尔质量:M(a)<M(c); M(b)>M(d)
(4)工业上利用甲醇制备氢气的常用方法之一为:甲醇蒸汽重整法.该法中的一个主要反应为CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g),此反应能自发进行的原因是
该反应是一个熵增的反应
该反应是一个熵增的反应

(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+,然后以Co3+做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO2而净化.实验室用图3装置模拟上述过程:
①写出阳极电极反应式
Co2+-e-=Co3+
Co2+-e-=Co3+

②写出除去甲醇的离子方程式
6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6 Co2++6H+
6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6 Co2++6H+

③若3图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池,则电池负极的电极反应式为:
CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O
CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O
分析:(1)依据热化学方程式和盖斯定律计算得到;
(2)①分析图象100℃时达到平衡,甲烷转化率为50%;结合化学平衡三段式列式计算得到; 
②计算平衡状态物质浓度结合平衡常数概念列式计算;
③平衡标志是正逆反应速率相同,各成分浓度保持不变分析判断选项;
(3)A.该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大;
B.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大,故温度T1<T3,温度越高,反应速率越快;b、d两点压强相同,温度越高,反应速率越大;
C.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,故温度T1<T3,降低温度平衡向正反应方向移动,K值增大.平衡常数只与温度有关,b、d两点温度相同,平衡常数相同;
D.CO转化率的越大,n越小,由M=
m
n
判断;
(4)CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g),此反应能自发进行的判断依据是△H-T△S<0;
(5))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+
③甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池,则电池负极是甲醇失电子发生氧化反应在碱溶液中生成碳酸钾;
解答:解:(1)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得到CH4(g)+H2O(g)=CH3OH (g)+H2(g))△H=+77kJ?mol-1
所以CH3OH (g)和H2(g)反应生成CH4(g)与H2O(g)的热化学方程式为:CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
故答案为:CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
(2)将1.0mol CH4和2.0mol H2O ( g )通入容积固定为10L的反应室,在一定条件下发生反应I:图象分析可知100°C甲烷转化率为50%,依据化学平衡三段式列式
             CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)
起始量(mol) 1.0        2.0      0        0
变化量(mol) 1.0×50%  0.5       0.5      1.5
平衡量(mol) 0.5       1.5       0.5      1.5
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=
1.5mol
10L
5min
=0.03 mol?L-1?min-1
故答案为:0.03 mol?L-1?min-1
②100℃时反应I的平衡浓度为c(CH4)=0.05mol/L,c(H2O)=0.15mol/L,c(CO)=0.05mol/L,c(H2)=0.15mol/L,
平衡常数K=
c(CO)c3(H2)
c(CH4)c(H2O)
=
0.05×0.153
0.05×0.15
=2.25×10-2
故答案为:2.25×10-2  
③CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)
A.CO的含量保持不变,说明反应达到平衡,故A正确;
B.容器中CH4浓度与CO浓度相等,与消耗量和起始量有关反应不一定达到平衡,故B错误;
C.混合气体质量不变,体积不变,反应过程中密度不变,容器中混合气体的密度保持不变不能说明反应达到平衡,故C错误;
D.反应速率之比等于化学方程式系数之比是正反应速率之比,3V(CH4)=V(H2),若3V(CH4)=V(H2)说明V(H2)=V(H2)说明反应达到平衡,故D正确;
故答案为:A D;   
(3)A.该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大,则T1<T2<T3,故A错误;
B.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大,故温度T1<T3,温度越高,反应速率越快,故υ(a)<υ(c).b、d两点温度相同,压强越大,反应速率越大,b点大于d点压强,则v(b)>v(d),故B错误;
C.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,故温度T1<T3,降低温度平衡向正反应方向移动,则K(a)>K(c),平衡常数只与温度有关,b、d两点温度相同,平衡常数相同,则K(b)=K(d),故C正确;
D.CO转化率的越大,n越小,由M=
m
n
可知,a点n小,则M(a)>M(c),M(b)>M(d),故D错误;
故选C.
(4)甲醇蒸汽重整法.该法中的一个主要反应为CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g),反应△H>0,反应自发进行需要满足△H-T△S<0,所以反应自发进行是因为该反应是熵增大的反应;
故答案为:该反应是一个熵增的反应,△S>0;
(5))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+.;
③若3图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池,甲醇在负极失电子发生氧化反应,在碱溶液中生成碳酸盐,则电池负极的电极反应式为CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O;
故答案为:CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O;
点评:本题考查热化学方程式和盖斯定律计算应用,温度、压强、转化率等之间的关系和外界条件对反应速率及平衡的影响,平衡标志判断,原电池原理和电极反应书写,掌握基础是解本题的关键,题目难度中等.
练习册系列答案
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甲醇可作为燃料电池的原料.通过下列反应可以制备甲醇:CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H=-90.8kJ?mol-1
在一容积可变的密闭容器中充入10mol CO 和20mol H2,CO的平衡转化率随温度(T)、压强(P)的变化如图1所示,当达到平衡状态A 时,容器的体积为20L.
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(1)T1℃反应的平衡常数为
 

(2)图中P1
 
 P2(填“>”、“<”或“=”).
(3)如反应开始时仍充入10mol CO和20mol H2,则在平衡状态B时容器的体积V(B)=
 
L.
(4)关于反应CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)在化学平衡状态时的描述正确的是
 
(填字母,下同).
A.CO的含量保持不变           B.容器中CH3OH浓度与CO浓度相等
C.2v(CH3OH)=v(H2)     D.容器中混合气体的平均相对分子质量保持不变
(5)CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g),按照相同的物质的量投料,测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图2所示.下列说法正确的是
 

A.温度:T1<T2<T3
B.正反应速率:v(a)>ν(c); v(b)>v(d)
C.平衡常数:K(a)=K(c); K(b)>K(d)
D.平均摩尔质量:M(a)<M(c); M(b)>M(d)
(6)已知CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)△H=+41.3kJ?mol-1,试写出由CO2和H2制取甲醇的热化学方程式
 

(7)以甲醇、CO2、空气、熔融盐K2CO3组成燃料电池,写出该电池负极的电极反应式:
 

甲醇可作为燃料电池的原料。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•molˉ1

II:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)    △H=-129.0kJ•molˉ1

(1)CH4(g)与H2O(g)反应生成CH3OH(g)和H2(g)的热化学方程式为             

(2)将1.0mol CH4和1.0mol H2O(g)通入容积为100 L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假设100℃时达到平衡所需构时间为5min,则用H2表示该反应的平均反应速率为               

②1000C时反应I的平衡常数为                 

(3)在压强为0.1 MPa、温度为300℃条件下,将a molCO与2a mol H2的混合气体在催化剂作用下发生反应II生成甲醇,平衡后将容器舶容积压缩到原来的1/2,其他条件不变,对平衡体系产生的影响是              (填字母序号)。

A.平衡常数K增大             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

(4)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+做氧化剂再把水中的甲醇氧化成CO2而净化。若下图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池,则电池正极的电极反应式:                        ,该电池工作时,溶液中的OHˉ向         极移动。净化含1mol甲醇的水,燃料电池转移电子         mol。

 

 

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