Question

19．甲醇是一种重要的工业原料，利用甲醇可以制氢气．
Ⅰ．甲醇与水蒸气反应可以直接制得氢气．
已知  CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H＞0
一定条件下，向体积为2L的恒容器密闭容器中充入1.2molCH₃OH（g）和2.8molH₂O（g），实验测得，反应共吸收的能量和甲醇的体积分数随时间变化的曲线图象如图1．

（1）从反应开始至平衡，H₂的平均反应速率为0.03mol/（L•s）．
（2）该条件下，CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）的△H=+49.4kJ/mol，该反应的平衡常数为0.09（mol/L）²．
（3）B点时水的体积分数＞C点（填“＞”、“=”或“＜”）．
（4）在D点时，将容器的体积压缩为原来的一半，同时再充入7.2mol的H₂O（g），CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）平衡不移动（填“往左”、“往右”或“不”）．
Ⅱ．将甲醇燃料电池高温电解等物质的量的H₂O-CO₂混合气体可以间接制备H₂．其基本原理如图2所示．
（5）甲醇燃料电池以酸性溶液为电解质，写出电池负极的电极反应式CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．
（6）电解池中发生的总反应方程式为H₂O+CO₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂+CO+O₂．
（7）当质子交换膜中通过的H⁺数目为4.816×10²³时，理论上电解池中产生的H₂为4.48L（标准状况）．

Answer 1

分析 （1）反应前c（CH₃OH）=$\frac{1.2mol}{2L}$=0.6mol/L、c（H₂O）=$\frac{2.8mol}{2L}$=1.4mol/L，
设参加反应的c（CH₃OH）为xmol/L，
            CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）
反应前（mol/L）0.6       1.4      0        0 
反应（mol/L）  x         x        x       3x
平衡（mol/L）0.6-x      1.4-x     x       3x
根据图知，反应后甲醇的体积分数占$\frac{1}{6}$，相同条件下体积之比等于其物质的量之比，所以甲醇的物质的量分数=$\frac{0.6-x}{（0.6-x）+（1.4-x）+x+3x}$=$\frac{1}{6}$，x=0.2
则生成c（H₂）=3x=3×0.2mol/L=0.6mol/L，
v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$；
（2）参加反应的n（CH₃OH）=0.2mol/L×2L=0.4mol，有0.4mol甲醇反应吸收19.76kJ热量，据此计算1mol甲醇反应吸收的热量；
化学平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）．{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}$；
（3）根据图知，从B点到C点，甲醇的体积分数在减小，说明平衡正向移动，水的物质的量减小；
（4）根据浓度商与化学平衡常数相对大小确定反应方向，如果浓度商等于平衡常数，则平衡不移动；
（5）甲醇燃料酸性电池中，负极上甲醇失电子发生氧化反应；
（6）电解池中，反应物是水和二氧化碳，生成物是氢气、CO和氧气；
（7）串联电路中转移电子相等，根据转移电子相等计算生成氢气体积．

解答 解：（1）反应前c（CH₃OH）=$\frac{1.2mol}{2L}$=0.6mol/L、c（H₂O）=$\frac{2.8mol}{2L}$=1.4mol/L，
设参加反应的c（CH₃OH）为xmol/L，
            CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）
反应前（mol/L）0.6       1.4      0        0 
反应（mol/L）  x         x        x       3x
平衡（mol/L）0.6-x      1.4-x     x       3x
根据图知，反应后甲醇的体积分数占$\frac{1}{6}$，相同条件下体积之比等于其物质的量之比，所以甲醇的物质的量分数=$\frac{0.6-x}{（0.6-x）+（1.4-x）+x+3x}$=$\frac{1}{6}$，x=0.2
则生成c（H₂）=3x=3×0.2mol/L=0.6mol/L，
v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.6mol/L}{20s}$=0.03mol/（L•s），
故答案为：0.03mol/（L•s）；
（2）参加反应的n（CH₃OH）=0.2mol/L×2L=0.4mol，有0.4mol甲醇反应吸收19.76kJ热量，据此计算1mol甲醇反应吸收的热量=$\frac{19.76kJ}{0.4mol}$=+49.4kJ/mol；
化学平衡常数K=$\frac{c（C{O}_{2}）．{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.2×0．{6}^{3}}{0.4×1.2}$=0.09（mol/L）²，
故答案为：+49.4kJ/mol；0.09（mol/L）²；
（3）根据图知，从B点到C点，甲醇的体积分数在减小，说明平衡正向移动，水的物质的量减小，B点时水的体积分数大于C点，故答案为：＞；
（4）再充入7.2mol水蒸气，c（H₂O）=$\frac{7.2mol}{1L}$=7.2mol/L，缩小容器体积时，c（CH₃OH）=0.8mol/L、c（H₂O）
=9.6mol/L、c（CO₂）=0.4mol/L、c（H₂）=1.2mol/L，
浓度商=$\frac{0.4×1．{2}^{3}}{0.8×9.6}$=0.09，其浓度商等于化学平衡常数，所以平衡不移动，
故答案为：不；
（5）甲醇燃料酸性电池中，负极上甲醇失电子发生氧化反应，电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
（6）电解池中，反应物是水和二氧化碳，生成物是氢气、CO和氧气，则电池反应式为H₂O+CO₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂+CO+O₂，
故答案为：H₂O+CO₂$\frac{\underline{\;电解\;}}{\;}$H₂+CO+O₂；
（7）串联电路中转移电子相等，正极反应式为O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，通过离子交换膜的氢离子是4，当质子交换膜中通过的H⁺数目为4.816×10²³时，通过的氢离子物质的量=$\frac{4.816×1{0}^{23}}{6.02×1{0}^{23}/mol}$=0.8mol，转移0.8mol电子得到0.8mol电子，
根据转移电子相等得生成氢气体积=$\frac{0.8mol}{4}×1×22.4L/mol$=4.48L，
故答案为：4.48．

点评 本题考查化学平衡有关计算、原电池原理等知识点，为高频考点，侧重考查学生分析计算及知识综合运用能力，根据平衡常数与浓度商相对大小确定反应方向为该题难点，题目难度中等．