Question

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 H₂O（g）反应成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式为

 

．
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容积为2L的密闭容器中，在一定条件下发生反应I，测得在一定压强下平衡时CH₄的转化率与温度的关系如图1．

①假设100℃时反应I达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示这段时间该反应的平均反应速率为

 

．
②100℃时反应I的平衡常数为

 

．若保持温度和容器的容积不变，5min时再向容器中充入H₂O（g）和CO各0.2mol，平衡将

 

移动（填“正向”、“逆向”或“不”）．
（3）如图2，P是可自由平行滑动的活塞，关闭K₂，在相同温度下，通过K₁、K₃分别向A、B中各充入2mol CO和3mol H₂，在一定条件下发生反应Ⅱ，关闭K₁、K₃，反应起始时A、B的体积相同，均为a L．
①反应达到平衡后，A内压强为起始压强的

3

5

，则平衡时A容器中H₂的体积分数为

 

．
②若在平衡后打开K₂，再次达到平衡后B容器的体积缩至0.6a L，则打开K₂之前，B容器的体积为

 

L．
（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⁺作氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化．实验室用如图3装置模拟上述过程：
①写出阳极电极反应式

 

；
②写出除去甲醇的离子方程式

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,原电池和电解池的工作原理,化学平衡建立的过程,化学平衡的计算

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：（1）根据盖斯定律书写热化学方程式；
（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，
①根据c=

△n V

△t

计算v（H₂）
②计算平衡状态时各物质的浓度，代入平衡常数表达式计算；比较Qc和K的大小解答；
（3）在AB中发生反应CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），依据三段式法解答，注意相同体积时，气体的压强之比等于气体的物质的量之比，压强相等时，气体的体积之比等于物质的量之比；
（4））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）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=+77.0kJ?mol^-1
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77.0kJ?mol^-1；
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为2L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40%，故参加反应的甲烷为1mol×40%=0.4mol，则：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0        0
变化量（mol）：0.4      0.4      0.4      1.2
平衡量（mol）：0.6      1.6      0.4      1.2
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=

1.2mol 2L

5min

=0.12 mol?L^-1?min^-1，
故答案为：0.12 mol?L^-1?min^-1；
②100℃时反应I的平衡浓度为c（CH₄）=0.30mol/L，c（H₂O）=0.8mol/L，c（CO）=0.2mol/L，c（H₂）=0.6mol/L，
平衡常数K=

0.6mol?L-13×0.2mol?L-1

0.3mol?L-1×0.8mol?L-1

=0.18mol²?L^-2，
平衡后再向容器中充入H₂O（g）和CO各0.2mol，则c（CH₄）=0.30mol/L，c（H₂O）=0.9mol/L，c（CO）=0.3mol/L，c（H₂）=0.6mol/L，Qc=

0.6mol?L-13×0.3mol?L-1

0.9mol?L-1×0.3mol?L-1

=0.24（mol/L）²＞K=0.18mol²?L^-2，平衡逆向移动，
故答案为：0.18mol²?L^-2；逆向；
（3）①A中    CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
反应前（mol）2        3         0 
反应了（mol）x        2x        x
平衡后（mol）2-x      3-2x       x
体积不变时，气体的压强之比等于气体的物质的量之比，则有（2-x+3-2x+x）：（2+3）=3：5
解得：x=1，平衡时氢气的体积分数为：

1mol

1mol+1mol+1mol

=

1

3

，故答案为：

1

3

；
②打开K2，AB都是恒压环境，AB的体积共缩小了0.4aL，A与B体积相等，则A与B各缩小了0.2aL，则打开K₂之前，B容器的体积为0.8aL，故答案为：0.8aL；
（4）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：本题考查了盖斯定律的应用、化学反应速率的求算、化学平衡常数的求算及与Qc的关系、恒压恒容容器中反应情况比较、原电池原理分析和电极反应书写方法，题目难度较大，注意认真分析．