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•molˉ¹

II：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)    △H=－129.0kJ•molˉ¹

（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1.0mol CH₄和1.0mol 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图。

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

②100⁰C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 molCO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，平衡后将容器舶容积压缩到原来的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(H₂)/c(CH₃OH)减小

（4）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。若下图装置中的电源为甲醇－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OHˉ向         极移动。净化含1mol甲醇的水，燃料电池转移电子         mol。

Answer

（16分）（1）CH4(g)+ H2O(g)CH3OH(g)+H2(g)  △H=+77.0kJ•molˉ1（3分，焓变写错扣1分，用等号不扣分）

（2）0.003mol•Lˉ1•minˉ1（2分，单位写错0分）  6.75×10ˉ4（2分）

（3）C、D(共2分，只答对一个给1分，答错一个0分)

（4）O2+2H2O+4eˉ=4OHˉ或3O2+6H2O+12eˉ=12OHˉ（3分，电极反应式没配平0分）   负（2分）    6（2分）

【解析】

试题分析：（1）根据盖斯定律可知，已知反应I+II可得：CH4(g)+ H2O(g)= CH3OH(g)+H2(g)  △H=+77.0kJ•molˉ1；（2）CH4的起始浓度为1.0mol÷100L=0.01mol•Lˉ1，读图可知100℃时其平衡转化率为50%，则CH4的变化浓度为0.01mol•Lˉ1×50%=0.005mol•Lˉ1，则v(CH4)= 0.005mol•Lˉ1÷5min=0.001mol•Lˉ1•minˉ1，根据系数之比等于速率之比可知，v(H2)=3×v(CH4)= 0.003mol•Lˉ1•minˉ1；根据变化浓度之比等于系数之比，则反应I：

                               CH4(g)  +  H2O(g)  CO(g)  +  3H2(g)

起始浓度/ mol•Lˉ1               0.01       0.01           0         0

变化浓度/ mol•Lˉ1              0.005       0.005         0.005      0.015

平衡浓度/ mol•Lˉ1              0.005       0.005         0.005      0.015

K=[c(CO)•c3(H2)]/[c(CH4)•c(H2O)]= [0.005×0.0153]/[ 0.005×0.005]=6.75×10ˉ4

（3）反应II是气态物质体积减小的反应，缩小容器体积，能增大各组分浓度，也能增大压强，平衡向正反应方向移动，但是平衡常数保持不变，因为温度不变平衡常数K不变，故A错误；同时增大反应物和生成物的浓度，正、逆反应速率均增大，但是v(正)>v(逆)，所以平衡右移，故B错误；增大压强平衡右移，使生成物的量增加，故C正确；增大压强平衡向正反应方向移动，反应物浓度减小，生成物浓度增大，则重新平衡后反应物浓度/生成物浓度的值减小，故D正确；（4）甲醇完全燃烧生成CO2和H2O，CO2和过量KOH反应生成K2CO3和H2O，则该电池负极的主要反应物和产物分别是CH3OH、CO32ˉ，碳元素由－2价升为+4价，则CH3OH－6eˉ→CO32ˉ，由于KOH是强碱，应该用OHˉ使左右电荷守恒，则CH3OH－6eˉ+8OHˉ→CO32ˉ，根据氢、氧原子个数守恒可得，负极反应式为CH3OH－6eˉ+8OHˉ=CO32ˉ+6H2O或2CH3OH－12eˉ+16OHˉ=2CO32ˉ+12H2O；而正极的主要反应物是O2，同理可推断正极反应式为O2+2H2O+4eˉ=4OHˉ或3O2+6H2O+12eˉ=12OHˉ；放电时负极流出电子，正极流入电子，则阴离子移向负极，阳离子移向正极，则溶液中的OHˉ移向负极；根据系数之比等于物质的量之比，则1mol甲醇完全反应失去6mol电子，因此该燃料电池转移6mol电子。

考点：考查化学反应原理，涉及热化学方程式的书写、盖斯定律的应用、平均反应速率的计算、平衡转化率和化学平衡常数的计算、化学平衡、燃料电池的工作原理等知识。