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 ＝+206.0 kJ·mol^－1

II：CO ( g ) + 2H₂ ( g ) ＝ CH₃OH ( g )  △H ＝—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l/2，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）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。实验室用右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                。

③若右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                 ，净化含1 mol甲醇的水燃料电池需消耗KOH            mol。

Answer

（1）CH4(g)+H2O(g)＝CH3OH (g)+H2(g) △H ＝+77.0 kJ·mol－1；

（2）0.003 mol·L－1·min－1；2.25×10-4；

（3）CD

（4）①Co2+ -e—＝Co3+；

②6Co3++CH3OH+H2O＝CO2↑+6 Co2++6H+；

③CH3OH-6e—+8OH—＝CO32—+ 6H2O；2

【解析】

试题分析：（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：CH4（g）+H2O（g）=CH3OH（g）+H2（g）△H=+206.0kJ/mol-（-129.0kJ/mol）=+77.0 kJ/mol；故答案为：CH4（g）+H2O（g）=CH3OH（g）+H2（g）△H=+77.0 kJ/mol；

（2）将1.0mol CH4和2.0mol H2O （ g ）通入容积固定为100L的反应室，在一定条件下发生反应I，由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：

CH4 （g）+H2O （g）CO （g）+3H2 （g）

起始量（mol）：1.0 2.0 0 0

变化量（mol）：0.5 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表示该反应的平衡反应速率V（H2）==0.003 mol•L-1•min-1，故答案为：0.003 mol•L-1•min-1；

②100℃时反应I的平衡浓度为c（CH4）=0.005mol/L，c（H2O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H2）=0.015mol/L，所以该温度下反应的平衡常数K===2.25×10-4；故答案为：2.25×10-4；

（3）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将1.0molCO与2.0molH2的混合气体在催化剂作用下发生反应Ⅱ生成甲醇，CO（g）+2H2（g）=CH3OH（g）△H=-129.0kJ/mol；平衡后将容器的容积压缩到原来的，其他条件不变，体积减小压强增大，反应速率增大，平衡正向进行。A、体积减小，c（H2）增大，故A错误；B、压强增大，正逆反应速率都加快，故B错误；C、体积减小，压强增大，平衡正向进行，CH3OH的物质的量增加，故C正确；D、体积减小，压强增大，平衡正向进行，重新平衡时c（H2）/c（CH3OH）减小，故D正确；E、平衡常数K只随温度的而变化，故E错误；故选：CD

（4）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负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水，负极电极反应式为：CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O．甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池的总反应方程式为2CH3OH+3O2+4KOH═2K2CO3+6H2O，CH3OH与KOH的物质的量之比为1：2，1molCH3OH反应，应有2molKOH参与反应，故答案为：CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O；2

考点：考查了反应热的计算、热化学方程式的书写、反应速率、平衡常数的计算、化学平衡的移动、原电池原理的相关知识。