Question

11．甲醇被稱為21世紀(jì)的新型燃料，工業(yè)上用CH₄和H₂O為原料，通過下列反應(yīng)I和II來制備甲醇．
Ⅰ．CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁
Ⅱ．CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂＜0
（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應(yīng)室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測得CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1．

①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率為0.03 mol•L^-1•min^-1．
②反應(yīng)I的△H₁大于0 （填“大于”、“小于”或“等于”），100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為2.25×10^-2．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將a mol CO與3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)II生成甲醇平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，其他條件不變，對(duì)平衡體系產(chǎn)生的影響是CD （填字母序號(hào)）．
A．c（H₂）減少             
B．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率減慢
C．重新平衡后CH₃OH 的物質(zhì)的量增加 
D．重新平衡后$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小
（3）已知在常溫常壓下：
①2CH₃OH （l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1272.8kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H=-552.6kJ•mol^-1
③H₂O（g）=H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
寫出甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-448.1kJ•mol^-1．
（4）甲醇對(duì)水質(zhì)會(huì)造成一定的污染，有一種電化學(xué)法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co²⁺轉(zhuǎn)化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．
實(shí)驗(yàn)室用圖2裝置模擬上述過程：
①寫出陽極反應(yīng)式Co²⁺-e^-=Co³⁺．
②在Co³⁺氧化甲醇的反應(yīng)中，生成（填“消耗”或“生成”）H⁺．

Answer 1

分析 （1）100℃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量；
①根據(jù)c=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
②根據(jù)平衡狀態(tài)隨溫度變化時(shí)，平衡移動(dòng)的方向，判斷△H₁；計(jì)算平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；
（1）其他條件不變，平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于溫度不變，則平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，據(jù)此分析解答；
（3）根據(jù)熱化學(xué)方程式利用蓋斯定律計(jì)算反應(yīng)熱并書寫熱化學(xué)方程式；
（4）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

解答 解：（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0       2.0      0         0
變化量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5       1.5      0.5      1.5
①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.03 mol•L^-1•min^-1；
②由甲烷的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化情況可知，達(dá)到平衡后升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，可知平衡正向移動(dòng)，即△H₁大于0；100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.05mol/L，c（H₂O）=0.15mol/L，c（CO）=0.05mol/L，c（H₂）=0.15mol/L，
平衡常數(shù)K=$\frac{0.05×0.1{5}^{3}}{0.05×0.15}$=2.25×10^-2，
故答案為：大于；2.25×10^-2；
（2）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，故A錯(cuò)誤；
B．壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，故B錯(cuò)誤；
C．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CH₃OH 的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)的量增大，故重新平衡$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小，故D正確；
故答案為：CD；
（3）①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1272.8kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-552.6kJ•mol^-1
③H₂O（g）═H₂O（l）△H=-44.0kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，將已知反應(yīng)$\frac{1}{2}$×（①-②+③×4）得到CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l），所以該反應(yīng)的△H=$\frac{1}{2}$×[（-1272.8kJ/mol）-（-552.6kJ/mol）+（-44.0kJ/mol）×4]=-448.1 kJ•mol^-1，即CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-448.1 kJ•mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-448.1 kJ•mol^-1；
（4）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結(jié)合原子守恒與電荷守恒可知，離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，說明還原生成H⁺，故答案為：生成．

點(diǎn)評(píng) 本題考查熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象、影響化學(xué)平衡因素、平衡常數(shù)與反應(yīng)速率計(jì)算、原電池等，掌握基礎(chǔ)是解本題的關(guān)鍵，題目難度中等．