Question

能源问题是人类社会面临的重大课题，甲醇是未来重要的绿色能源之一。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

Ⅱ.CO（g）＋2H₂（g）=CH₃OH（g）ΔH＝－129.0 kJ/mol

（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1.0 mol CO与2.0 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）减小

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．重新平衡时减小

E．平衡常数K增大

（4）工业上利用甲醇制备氢气的常用方法有甲醇蒸气重整法。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Co^2＋氧化成Co^3＋，然后以Co^3＋做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化。实验室用下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）CH4（g）＋H2O（g）CH3OH（g）＋H2（g）ΔH＝＋77.0 kJ·mol－1

（2）①0.0024 mol·L－1·min－1 ②7.2×10－5

（3）CD

（4）该反应是一个熵增的反应（ΔS＞0）

（5）①Co2＋－e－=Co3＋ ②6Co3＋＋CH3OH＋H2O=CO2↑＋6Co2＋＋6H＋

【解析】（1）根据盖斯定律，将两个已知的热化学方程式相加可得：CH4（g）＋H2O（g）=CH3OH（g）＋H2（g） ΔH＝＋77.0 kJ·mol－1。

（2）v（H2）＝3v（CH4）＝3×＝0．0024 mol·L－1·min－1。根据三段式：

CH4（g）＋H2O（g） CO（g）＋3H2（g）

起始（mol/L） 0.01 0.02 0 0

转化（mol/L） 0.004 0.004 0.004 0.012

平衡（mol/L） 0.006 0.016 0.004 0.012

则平衡常数：K＝＝7.2×10－5。

（3）增大压强，平衡向正反应方向移动，C、D项正确；但移动的结果不会抵消条件的改变，故c（H2）仍然增大，A项错误；增大压强正逆反应速率均增大，B项错误；平衡常数只与温度有关，温度不变平衡常数不变，E项错误。

（5）Co2＋在阳极失电子生成Co3＋。