Question

8．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•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=+77.0kJ/mol．
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容积为100L的反应室中，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℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示该反应从开始到达到平衡时的反应速率为：0.003 mol•L^-1•min^-1．
（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．
实验室用图2装置模拟上述过程：

①完成除去甲醇的离子方程式：6Co³⁺+1CH₃OH+1H₂O═CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺
②若图2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：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O；
③净化含1mol甲醇的水，理论上燃料电池需消耗KOH2mol．

Answer 1

分析 （1）根据热化学方程式和盖斯定律计算书写；
（2）100℃时达到平衡时，甲烷转化率为50%，结合化学平衡三段式列式计算平衡时各组分的物质的量，根据c=$\frac{△n}{\frac{V}{△t}}$计算v（H₂）；
（3）燃料电池中，负极上燃料失电子发生氧化反应，正极上氧化剂得电子发生还原反应；
①甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被还原生成Co²⁺；
②负极上燃料失电子发生氧化反应，注意电解质溶液是碱性溶液；
③依据化学方程式计算消耗氢氧化钾物质的量．

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
②CO（g）+2 H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0 kJ/mol
将方程式①+②得CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+206.0kJ/mol+（-129.0kJ/mol）=+77.0 kJ/mol，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ/mol；
（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，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）
起始量（mol）：1.0             2.0             0              0
变化量（mol）：0.5             0.5            0.5            1.5
平衡量（mol）：0.5             1.5             0.5           1.5
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=$\frac{1.5mol}{\frac{100L}{5min}}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.003；
（3）①甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被还原生成Co²⁺，溶液呈酸性，则生成物中含有氢离子，所以该反应离子方程式为6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，
故答案为：6；CO₂↑；6；6H⁺；
②正极上氧气得电子和水反应生成氢氧根离子，电极反应式为O₂+H₂O+4e^-═4OH^-，负极是甲醇失电子在碱性溶液中生成碳酸钾，
故答案为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
 ③依据化学方程式计算分析2CH₃OH+3O₂+4KOH→2K₂CO₃+6H₂O，净化含1mol甲醇的水燃料电池需消耗KOH物质的量2mol；
故答案为：2．

点评 本题考查热化学方程式书写、反应速率计算、原电池等，注意盖斯定律书写热化学方程式应用，注意电极反应式要结合电解质溶液酸碱性书写，题目难度中等．