Question

5．2016年9月．“乔歌里1号”中国首台静默移动发电站MFC30正式问世，MFC30是基于甲醇重整制氢燃料电池发电技术．
（1）甲醇制氢方式主要有以下三种：
反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢：
CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
反应Ⅱ甲醇分解制氢：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.6kJ/mol
反应Ⅲ气态甲醇氧化重整制氢同时生成二氧化碳和氢气：
①已知CO的燃烧热为283.0kJ/mol，则反应Ⅲ的热化学方程式为CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=-192.4 kJ/mol
②该三种制氢方式中，等量的甲醇产生氢气最多的是反应Ⅰ（填“Ⅰ”、“Ⅱ”、“Ⅲ”）．
（2）实验室模拟反应Ⅰ甲醇水蒸气重整制氢过程，合成器组成n（CH₃OH）：n（H₂O）=1：1时，体系中甲醇的平衡转化率与温度和压强的关系如图所示．
①该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}$．
②当温度为250℃、压强为P₂时，反应达平衡时H₂的体积分数为67.6%．
③图中的压强由小到大的顺序是P₁＜P₂＜P₃．
（3）MFC30燃料电池是以氢为燃料，Li₂CO₃与K₂CO₃混合的碳酸盐为电解质的高温型燃料电池，其负极的电极反应式为H₂+2e^-+CO₃^2-=H₂O+CO₂，正极上通入的气体为O₂（或空气）、CO₂．

Answer 1

分析 （1）①Ⅰ．CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
Ⅱ．CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.6kJ/mol
Ⅲ．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=-283.0kJ/mol，
结合盖斯定律计算，Ⅱ+Ⅲ得到所需热化学方程式；
②反应化学方程式定量关系计算得到；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
①平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；
②当温度为250℃、压强为P₂时，图象中甲醇转化率为82%，结合化学平衡三行计算得到；
③温度一定，压强越大平衡逆向进行，甲醇转化率减小，据此分析；
（3）该原电池为氢气燃料电池，通入燃料的电极为负极、通入氧化剂的电极为正极，负极是氢气，正极为氧气，据此分析解答．

解答 解：（1）①a．CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
b．CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.6kJ/mol
c．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=-283.0kJ/mol，
结合盖斯定律计算，b+c得到反应Ⅲ的热化学方程式：CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=-192.4 kJ/mol，
故答案为：CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=-192.4 kJ/mol；
②反应Ⅰ1mol甲醇反应生成3mol氢气，反应Ⅱ中1mol甲醇反应生成2mol氢气，反应Ⅲ中1mol甲醇反应生成2mol氢气，则等量的甲醇产生氢气最多的是反应Ⅰ，
故答案为：Ⅰ；
（2）①CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol，反应的平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}$，
故答案为：$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}$；
②当温度为250℃、压强为P₂时，图象中甲醇转化率为82%，合成器组成n（CH₃OH）：n（H₂O）=1：1时设为m，
                         CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）
起始量（mol）       m                m                 0              0
变化量（mol）   82%m            82%m            82%m        3×82%m
平衡量（mol）   18%m            18%m            82%m       3×82%m
反应达平衡时H₂的体积分数=$\frac{3×82%m}{18%m+18%m+82%m+3×82%m}$×100%=67.6%，
故答案为：67.6%；
③温度一定，压强越大平衡逆向进行，甲醇转化率减小，P₁＜P₂＜P₃，
故答案为：P₁＜P₂＜P₃；
（3）燃料电池是以氢为燃料，Li₂CO₃与K₂CO₃混合的碳酸盐为电解质的高温型燃料电池，燃料在负极发生氧化反应，电极反应H₂+2e^-+CO₃^2-=H₂O+CO₂，正极是通入氧气、二氧化碳发生还原反应，
故答案为：H₂+2e^-+CO₃^2-=H₂O+CO₂；O₂（或空气）、CO₂．

点评 本题考查了热化学方程式书写和盖斯定律的计算应用、化学平衡计算、影响平衡因素分析判断、原电池原理和电极反应书写，掌握基础是解题关键，题目难度中等．