Question

甲醇可作为燃料电池的原料．以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应反应来制备甲醇．
反应I：CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.0kJ•mol^-1
反应II：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ•mol^-1
（1）CH₃OH （g）和H₂（g）反应生成CH₄（g）与H₂O（g）的热化学方程式为    ．
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为10L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．
①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    ．
②100℃时反应I的平衡常数为    ．
③可用来判断该反应达到平衡状态的标志有    ．（填字母）
A．CO的含量保持不变                  
B．容器中CH₄浓度与CO浓度相等
C．容器中混合气体的密度保持不变       
D．3V_正（CH₄）=V_逆（H₂）
（3）按照反应II来生成甲醇，按照相同的物质的量投料，测得CO在不同温度下的平衡转化率与压强的关系如图2所示．下列说法正确的是   
A．温度：T₁＞T₂＞T₃
B．正反应速率：ν（a）＞ν（c）； ν（b）＞ν（d）
C．平衡常数：K（a）＞K（c）； K（b）=K（d）
D．平均摩尔质量：M（a）＜M（c）； M（b）＞M（d）
（4）工业上利用甲醇制备氢气的常用方法之一为：甲醇蒸汽重整法．该法中的一个主要反应为CH₃OH（g）⇌CO（g）+2H₂（g），此反应能自发进行的原因是    ．
（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．实验室用图3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    ．
③若3图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池，则电池负极的电极反应式为：    ．

Answer

（1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到；
（2）①分析图象100℃时达到平衡，甲烷转化率为50%；结合化学平衡三段式列式计算得到； 
②计算平衡状态物质浓度结合平衡常数概念列式计算；
③平衡标志是正逆反应速率相同，各成分浓度保持不变分析判断选项；
（3）A．该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大；
B．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，故温度T1＜T3，温度越高，反应速率越快；b、d两点压强相同，温度越高，反应速率越大；
C．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，故温度T1＜T3，降低温度平衡向正反应方向移动，K值增大．平衡常数只与温度有关，b、d两点温度相同，平衡常数相同；
D．CO转化率的越大，n总越小，由M=判断；
（4）CH3OH（g）⇌CO（g）+2H2（g），此反应能自发进行的判断依据是△H-T△S＜0；
（5））①通电后，将Co2+氧化成Co3+，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co2+-e-=Co3+；
②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+．
③甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池，则电池负极是甲醇失电子发生氧化反应在碱溶液中生成碳酸钾；
【解析】
（1）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
依据盖斯定律Ⅰ+Ⅱ得到CH4（g）+H2O（g）=CH3OH （g）+H2（g））△H=+77kJ•mol-1
所以CH3OH （g）和H2（g）反应生成CH4（g）与H2O（g）的热化学方程式为：CH3OH （g）+H2（g）=CH4（g）+H2O（g）△H=-77.0 kJ•mol-1
故答案为：CH3OH （g）+H2（g）=CH4（g）+H2O（g）△H=-77.0 kJ•mol-1
（2）将1.0mol CH4和2.0mol H2O （ g ）通入容积固定为10L的反应室，在一定条件下发生反应I：图象分析可知100°C甲烷转化率为50%，依据化学平衡三段式列式
             CH4 （g）+H2O （g）=CO （g）+3H2 （g）
起始量（mol） 1.0        2.0      0        0
变化量（mol） 1.0×50%  0.5       0.5      1.5
平衡量（mol） 0.5       1.5       0.5      1.5
①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==0.03 mol•L-1•min-1
故答案为：0.03 mol•L-1•min-1
②100℃时反应I的平衡浓度为c（CH4）=0.05mol/L，c（H2O）=0.15mol/L，c（CO）=0.05mol/L，c（H2）=0.15mol/L，
平衡常数K===2.25×10-2
故答案为：2.25×10-2  
③CH4 （g）+H2O （g）=CO （g）+3H2 （g）
A．CO的含量保持不变，说明反应达到平衡，故A正确；
B．容器中CH4浓度与CO浓度相等，与消耗量和起始量有关反应不一定达到平衡，故B错误；
C．混合气体质量不变，体积不变，反应过程中密度不变，容器中混合气体的密度保持不变不能说明反应达到平衡，故C错误；
D．反应速率之比等于化学方程式系数之比是正反应速率之比，3V正（CH4）=V正（H2），若3V正（CH4）=V逆（H2）说明V正（H2）=V逆（H2）说明反应达到平衡，故D正确；
故答案为：A D；   
（3）A．该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，则T1＜T2＜T3，故A错误；
B．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，温度越低，CO的转化率越大，故温度T1＜T3，温度越高，反应速率越快，故υ（a）＜υ（c）．b、d两点温度相同，压强越大，反应速率越大，b点大于d点压强，则v（b）＞v（d），故B错误；
C．由图可知，a、c两点压强相同，平衡时a点CO转化率更高，该反应为放热反应，故温度T1＜T3，降低温度平衡向正反应方向移动，则K（a）＞K（c），平衡常数只与温度有关，b、d两点温度相同，平衡常数相同，则K（b）=K（d），故C正确；
D．CO转化率的越大，n总越小，由M=可知，a点n总小，则M（a）＞M（c），M（b）＞M（d），故D错误；
故选C．
（4）甲醇蒸汽重整法．该法中的一个主要反应为CH3OH（g）⇌CO（g）+2H2（g），反应△H＞0，反应自发进行需要满足△H-T△S＜0，所以反应自发进行是因为该反应是熵增大的反应；
故答案为：该反应是一个熵增的反应，△S＞0；
（5））①、通电后，将Co2+氧化成Co3+，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co2+-e-=Co3+；
故答案为：Co2+-e-=Co3+；
②、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+；
故答案为：6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6Co2++6H+．；
③若3图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池，甲醇在负极失电子发生氧化反应，在碱溶液中生成碳酸盐，则电池负极的电极反应式为CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O；
故答案为：CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O；