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） ΔH＝206.0 kJ·mol－1

Ⅱ：CO（g）＋2H2（g）＝CH3OH（g） ΔH＝－129.0 kJ·mol－1

（1）CH4（g）与H2O（g）反应生成CH3OH（g）和H2（g）的热化学方程式为______________________________________________________。

（2）将1.0 mol CH4和2.0 mol H2O（g）通入容积为100 L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右图。

①假设100 ℃时达到平衡所需的时间为5 min，则用H2表示该反应的平均反应速率为________。

②100 ℃时反应Ⅰ的平衡常数为________。

（3）在压强为0.1 MPa、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，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是________（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）写出甲醇－空气－KOH溶液的燃料电池负极的电极反应式：__________________________________________________。

（5）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。实验室用如图装置模拟上述过程：

①写出阳极电极反应式____________________________。

②写出除去甲醇的离子方程式__________________________________。

 

Answer 1

（1）CH4（g）＋H2O（g）=CH3OH（g）＋H2（g） ΔH＝77.0 kJ·mol－1

（2）①0.003 mol·L－1·min－1　②2.25×10－4

（3）CD

（4）CH3OH－6e－＋8OH－=CO32-＋6H2O

（5）Co2＋－e－=Co3＋　6Co3＋＋CH3OH＋H2O=CO2↑＋6Co2＋＋6H＋

 

【解析】（1）写热化学方程式，注意聚集状态，目标反应可由反应Ⅰ、Ⅱ相加得到，计算出反应热。（2）计算速率和平衡常数时要注意容积的体积。计算H2的速率，

方法一：v（H2）＝3v（CH4）＝3×＝0.003 mol·L－1·min－1，

方法二：根据“三行式”

　 　　　 　CH4（g）＋ 　H2Og= CO（g）＋3H2（g）

n（始）/mol　　　1.0　　 　2.0　　　　0　　　0

n（变）/mol　　　0.5　　 　0.5　　　　0.5　　1.5

n（平）/mol　　　0.5　　 　1.5　　　　0.5　　1.5

v（H2）＝＝＝0.003 mol·－1·min－1

K＝＝＝2.25×10－4

（3）体积压缩为原来的一半，则浓度变为原来的2倍，平衡的移动是个“减弱”的过程，浓度比原平衡大，A错误。压强增大，正逆反应速率均增大，B错误。压强增大，平衡向正反应方向移动，C、D正确。平衡常数只与温度有关，E错误。（4）负极上甲醇反应，KOH为电解质，产物为CO32-，“三步书写”。（5）阳极发生氧化反应，Co2＋生成Co3＋。Co3＋将甲醇氧化，生成Co2＋和CO2，注意溶液呈酸性。