Question

12．甲醇可作为燃料电池的原料．  
（1）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
则：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=+77.0 kJ•mol^-1．
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ 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a mol CO与3a 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CD （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）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↑+6 Co²⁺+6H⁺．
（5）以甲醇可作为燃料制成燃料电池结构示意图如图3所示．关于该电池的叙述正确的是B．
A．当电池反应消耗了2mol甲醇时，溶液中转移了12N_A个e^-
B．电池的负极反应为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺
C．放电过程中，H⁺从正极区向负极区迁移
D．在电池反应中，每消耗1mol氧气，理论上能生成标准状况下CO₂气体（22.4/3）L．

Answer 1

分析 （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
根据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g），反应热也相加；
（2）100℃时达到平衡时，甲烷的转化率为50%，转化的甲烷为0.5mol，则：
           CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）=CO （ g ）+3H₂ （ g ）
起始量（mol）：1         2           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
①根据v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算用H₂表示的平均反应速率；
②计算平衡浓度，代入K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$计算平衡常数；
（3）A．体积压缩，反应混合物各组分浓度都增大；
B．体积压缩，压强增大，正逆反应速率都增大；
C．体积压缩，压强增大，平衡正向移动；
D．体积压缩，压强增大，平衡正向移动，氢气物质的量减小、甲醇物质的量增大；
E．温度不变，平衡常数不变；
（4）①阳极发生氧化反应，由题目信息可知，阳极上Co²⁺失去电子氧化生成Co³⁺；
②由题目信息可知，Co³⁺将甲醇氧化成CO₂，自身被还原为Co²⁺；
（5）A．电解质溶液中没有电子通过，离子定向移动形成电流；
B．负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，酸性条件下生成二氧化碳，由电荷守恒可知还有氢离子生成；
C．放电过程属于原电池，电解质溶液中阳离子向正极移动；
D．根据电子转移守恒计算生成二氧化碳的体积．

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
根据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1；
（2）100℃时达到平衡时，甲烷的转化率为50%，转化的甲烷为0.5mol，则：
            CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）=CO （ g ）+3H₂ （ g ）
起始量（mol）：1         2           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
①用H₂表示的平均反应速率为$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，故答案为：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②平衡常数K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.5}{100}×（\frac{1.5}{100}）^{3}}{\frac{0.5}{100}×\frac{1.5}{100}}$=2.25×10^-4，故答案为：2.25×10^-4；
（3）A．体积压缩，反应混合物各组分浓度都增大，故A错误；
B．体积压缩，压强增大，正逆反应速率都增大，正反应速率增大更多，故B错误；
C．体积压缩，压强增大，平衡正向移动，CH₃OH 的物质的量增大，故C正确；
D．体积压缩，压强增大，平衡正向移动，氢气物质的量减小、甲醇物质的量增大，重新平衡c （ H₂ ）/c （CH₃OH ）减小，故D正确；
E．温度相同，则平衡常数相同，故E错误，
故选：CD；
（4）①阳极发生氧化反应，由题目信息可知，阳极上Co²⁺失去电子氧化生成Co³⁺，阳极电极反应式为Co²⁺-e^-=Co³⁺，故答案为：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②由题目信息可知，Co³⁺将甲醇氧化成CO₂，自身被还原为Co²⁺，反应离子方程式为6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（5）A．电解质溶液中没有电子通过，离子定向移动形成电流，故A错误；
B．负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，酸性条件下生成二氧化碳，由电荷守恒可知还有氢离子生成，电极反应式为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺，故B正确；
C．放电过程属于原电池，电解质溶液中阳离子向正极移动，即H⁺从负极区向正极区迁移，故C错误；
D．根据电子转移守恒，生成二氧化碳为$\frac{1mol×4}{4-（-2）}$=$\frac{2}{3}$mol，则标况下生成二氧化碳为$\frac{2}{3}$mol×22.4L/mol=$\frac{44.8}{3}$L，故D错误，
故选：B．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应速率计算、平衡常数、热化学方程式、电化学等，题目综合性较大，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力，难度中等．