Question

甲醇被称为2l世纪的新型燃料，工业上通过下列反应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、压强的关系如图所示：
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“=”），
（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）
③该反应的△H

 

0，（填“＜”、“＞”或“=”）．
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
（3）在最新开发并投入生产的流动电解质直接甲醇燃料电池中，流动电解质硫酸的使用，可提高燃料电池效率约30%，该电池的负极反应为

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的影响因素,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）①①根据图知道平衡时甲烷的转化率，求出△c（CH₄），根据v=

△c

△t

计算v（CH₄），利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
②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，比较平衡时甲烷的转化率，由此判断；
（2）③根据△G=△H-T?△S进行判断，如△G＜0，则反应能自发进行，如△G＞0，则不能自发进行；
④增加甲醇产率，应改变条件使平衡向正反应方向移动，根据平衡移动原理分析解答；
（3）根据原电池中负极发生氧化反应，正极发生还原反应，并考虑电解质溶液参与电极反应来分析．

解答： 解：（1）由100℃平衡CH₄的转化率为0.5可知，消耗CH₄为1mol×0.5=0.5mol，平衡时甲烷的浓度变化量为：

0.5mol

100L

=5×10^-3mol/L，根据甲烷与氢气的计量数关系，则：v（H₂）=3v（CH₄）=3×

5×10-3mol/L

5min

=0.0030mol?L^-1?min^-1，
故答案为：0.0030mol?L^-1?min^-1；
②由图可知温度相同时，到达平衡时，压强为P₁的CH₄转化率高，正反应为气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，甲烷的转化率降低，故压强P₁＜P₂，
故答案为：＜；
（2）③该反应正反应是气体物质的量减小的反应，气体的物质的量越多，其熵越大，所以△S＜0，混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇，则应该满足：△G=△H-T?△S＜0，由于△S＜0，则△H＜0，
故答案为：＜；
④增加甲醇产率，应改变条件使平衡向正反应方向移动，
A．正反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，甲醇的产率减小，故A错误；
B．将CH₃OH（g）从体系中分离，降低生成物的浓度，平衡向正反应方向移动，甲醇的产率增大，故B正确；
C．充入He，使体系总压强增大，容器的容积不变，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，可以等效为增大压强，平衡向体积减小的正反应方向移动，甲醇的产率增大，故D正确，
故答案为：BD；
（3）由燃料电池是原电池的一种，负极失电子发生氧化反应，正极得电子发生还原反应，甲醇燃烧生成二氧化碳和水，
但在酸性介质中，正极不会生成大量氢离子，则电解质参与电极反应，甲醇燃料电池的负极反应式为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
正极反应式为：

3

2

O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O，
故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

点评：本题考查化学反应速率、平衡常数、化学平衡计算、化学平衡的影响因素及读图能力、原电池工作原理等，综合性较大，题目难度中等，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．