Question

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）将1.0mol CH₄和1.0mol 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．

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

 

．
（2）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将a mol CO与2a 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

1

2

，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是

 

（填字母序号）
A．平衡常数K增大    
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

c(H2)

c(CH3OH)

减小
（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⁺做氧化剂再把水中的甲醇氧化成CO₂而净化．
若图2装置中的电源为甲醇一空气-KOH溶液的燃料电池，则电池正极的电极反应式：

 

，该电池工作时，溶液中的OH^-向

 

极移动．净化合1mol甲醇的水，燃料电池转移电子

 

mol．写出净化甲醇的离子方程式

 

．

Answer 1

考点：反应速率的定量表示方法,化学电源新型电池,化学平衡的影响因素

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）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；再根据v（H₂）=

△c

t

进行计算；
（2）其他条件不变，平衡后将容器的容积压缩到原来的

1

2

，压强增大，正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大更多，平衡向正反应方向移动，生成物的浓度增大，由于温度不变，则平衡常数不变，结合平衡常数可知，平衡时反应物各组分的浓度都增大，据此分析解答；
（3）负极发生氧化反应，则负极带正电，故OH^-向负极移动；正极发生还原反应，氧气在正极得到电子；
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⁺；再根据关系式CH₃OH～6e^-进行计算．

解答： 解：（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为100L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
则v（H₂）=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，
故答案为：0.003 mol?L^-1?min^-1；
（2）A．平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数不变，故A错误；    
B．压强增大，正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大更多，故B错误；
C．压强增大，平衡向正反应方向移动，CH₃OH 的物质的量增加，故C正确；
D．压强增大，平衡向正反应方向移动，氢气的物质的量减小、甲醇的物质的量增大，故重新平衡c

c(H2)

c(CH3OH)

减小，故D正确；
故答案为：CD；
（3）正极发生还原反应，氧气在正极得到电子，电极反应式为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，负极发生氧化反应，故负极带正电，故OH^-向负极移动；
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⁺；由CH₃OH～6e^-可知：净化含1mol甲醇的水，燃料电池转移6mol电子，
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，负，6，6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

点评：本题考查热化学方程式书写、化学平衡图象、影响化学平衡因素、平衡常数与反应速率计算、原电池等，题目难度较大．