Question

甲醇是一种很好的燃料，工业上用CH₄和H₂O为原料，通过反应Ⅰ和Ⅱ来制备甲醇．

（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反应室（容积为100L），在一定条件下发生反应：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）…Ⅰ．CH₄的转化率与温度、压强的关系如图1．
①已知100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示的平均反应速率为

 

．
②图中的P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃时平衡常数为

 

．
③该反应的△H

 

0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（2）在压强为0.1MPa条件下，a mol CO与 3a mol H₂的混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H＜0…Ⅱ．
④若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是

 

．
A．升高温度                    
B．将CH₃OH（g）从体系中分离
C．充入He，使体系总压强增大   
D．再充入1mol CO和3mol H₂
⑤为了寻找合成甲醇的温度和压强的适宜条件，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中．

实验编号	T（℃）	N（CO）/nH2	P（Mpa）
1	150	1/3	0.1
2	a	1/3	5
3	350	b	5

A．则上表中剩余的实验条件数据：a=

 

、b=

 

．
B．根据反应Ⅱ的特点，如图2是在压强分别为0.1MPa和5MPa下CO的转化率随温度变化的曲线图，请指明图中的压强Px=

 

MPa．
（3）已知CO（g）、CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ/mol和-726.5kJ/mol，则CH₃OH（l）不完全燃烧生成CO（g）和H₂O（l）的热化学方程式

 

（4）作为燃料，甲醇可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

 

．
A．当电池反应消耗了2mol甲醇时，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22.4/3L．

Answer 1

考点：化学平衡的影响因素,热化学方程式,化学电源新型电池,反应速率的定量表示方法

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）①根据v=

△c

△t

计算氢气的平均反应速率；
②该反应是反应前后气体体积增大的反应，相同温度下，增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，根据甲烷的转化率确定压强大小；平衡常数等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积之比；
③一定压强下，升高温度平衡向吸热反应方向移动，根据转化率判断反应热；
（2）④容器容积不变，增加甲醇产率，平衡向正反应移动，根据外界条件对平衡的影响分析．
⑤采取控制变量法，探究合成甲醇的温度和压强的适宜条件，据此判断n、m的值．
⑥根据定一议二原则，定温度同，再比较压强，即作垂直x轴的辅助线，比较平衡时CO的转化率，由此判断；
（3）根据CO和CH₃OH的燃烧热先书写热方程式，再利用盖斯定律来分析甲醇不完全燃烧生成一氧化碳和液态水的热化学方程式；
（4）在燃料电池中，燃料是通入负极，甲醇在负极被氧化，氧气通入正极，在正极得电子被还原，在酸性环境下，正极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，电池总反应式为2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，转移电子是12mol，以此解答该题

解答： 解：（1）①根据v（H₂）=3v（CH₄）=3×

1.0mol×0.5 100L

5min

=0.0030mol?L^-1?min^-1，故答案为：0.0030mol?L^-1?min^-1；
②根据化学方程式可以得出，增大压强，化学平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，可以去200℃来分析，发现甲烷的转化率是p₁时大于p₂时的，所以P₁＜P₂，
         CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始浓度：0.01     0.02     0       0 
变化浓度：0.005    0.005    0.005    0.015
平衡浓度：0.005    0.015     0.005    0.015
100℃时平衡常数=

0.005×(0.015)3

0.005×0.015

（mol/L）²=2.25×10^-4 （mol/L）²，
故答案为：＜；2.25×10^-4；
③一定压强下，升高温度平衡向正反应方向移动，则正反应是吸热反应，所以△H＞0；故答案为：＞；
（2）④A、该反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向移动，即向逆反应方向移动，甲醇的产率降低，故A错误；
B、将CH₃OH（g）从体系中分离，产物的浓度降低，平衡向正反应移动，甲醇的产率增加，故B正确；
C、充入He，使体系总压强增大，容器容积不变，反应混合物各组分浓度不变，平衡不移动，甲醇的产率不变，故C错误；
D、再充入1mol CO和3mol H₂，可等效为压强增大，平衡向体积减小的方向移动，即向正反应方向移动，甲醇的产率增加，故D正确．
故选：BD
②A、采取控制变量法，探究合成甲醇的温度和压强的适宜条件，所以温度、压强是变化的，

n(CO)

n(H2)

应保持不变，所以b=

1

3

，比较使用1、2，压强不同，所以温度应相同，故a=150，故答案为：a=150，b=

1

3

；
③温度相同时，作垂直x轴的辅助线，发现压强为P_y的CO的转化率高，反应为前后体积减小的反应，压强增大平衡向体积减小的方向移动，即向正反应移动，所以P_x＜P_y，所以压强P_x=0.1MPa．
故答案为：0.1；
（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃烧热△H分别为-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，则
①CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1
②CH₃OH（l）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1
由盖斯定律可知，②-①得反应CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），则△H=-726.5kJ?mol^-1-（-283.0kJ?mol^-1）=-443.5kJ?mol^-1，
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
（4）A．电池总反应式为2CH₃OH+3O₂=2CO₂+4H₂O，转移电子是12mol，即1mol CH₃OH完全反应转移6mol电子，所以当电池反应消耗了2mol甲醇时，转移了12N_A个e^-
，故A正确；
B．燃料是通入负极，甲醇在负极被氧化，在酸性环境下，负极反应：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺，故B正确；
C．在原电池中，H⁺向正极移动，故C错误；
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

44.8

3

L，故D错误；故选AB．

点评：本题考查化学反应速率、平衡常数、化学平衡计算、盖斯定律、化学平衡的影响因素、电化学及读图能力等，综合性较大，难度中等，知识面广，应加强平时知识的积累．注意控制变量法与定一议二原则应用．