Question

12．甲醇可作為燃料電池的原料．  
（1）以CH₄和H₂O為原料，通過下列反應(yīng)來制備甲醇．
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
則：CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CH₃OH （g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1．
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測(cè)得在一定的壓強(qiáng)下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(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表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為0.003 mol•L^-1•min^-1．
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
（3）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．CH₃OH 的物質(zhì)的量增加     D．重新平衡c （ H₂ ）/c （CH₃OH ）減小      E．平衡常數(shù)K增大
（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⁺氧化成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寫出陽極電極反應(yīng)式Co²⁺-e^-=Co³⁺．
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6 Co²⁺+6H⁺．
（5）以甲醇可作為燃料制成燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示．關(guān)于該電池的敘述正確的是B．
A．當(dāng)電池反應(yīng)消耗了2mol甲醇時(shí)，溶液中轉(zhuǎn)移了12N_A個(gè)e^-
B．電池的負(fù)極反應(yīng)為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺
C．放電過程中，H⁺從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移
D．在電池反應(yīng)中，每消耗1mol氧氣，理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO₂氣體（22.4/3）L．

Answer 1

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
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g），反應(yīng)熱也相加；
（2）100℃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率為50%，轉(zhuǎn)化的甲烷為0.5mol，則：
           CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）=CO （ g ）+3H₂ （ g ）
起始量（mol）：1         2           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根據(jù)v=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計(jì)算用H₂表示的平均反應(yīng)速率；
②計(jì)算平衡濃度，代入K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
（3）A．體積壓縮，反應(yīng)混合物各組分濃度都增大；
B．體積壓縮，壓強(qiáng)增大，正逆反應(yīng)速率都增大；
C．體積壓縮，壓強(qiáng)增大，平衡正向移動(dòng)；
D．體積壓縮，壓強(qiáng)增大，平衡正向移動(dòng)，氫氣物質(zhì)的量減小、甲醇物質(zhì)的量增大；
E．溫度不變，平衡常數(shù)不變；
（4）①陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，由題目信息可知，陽極上Co²⁺失去電子氧化生成Co³⁺；
②由題目信息可知，Co³⁺將甲醇氧化成CO₂，自身被還原為Co²⁺；
（5）A．電解質(zhì)溶液中沒有電子通過，離子定向移動(dòng)形成電流；
B．負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知還有氫離子生成；
C．放電過程屬于原電池，電解質(zhì)溶液中陽離子向正極移動(dòng)；
D．根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒計(jì)算生成二氧化碳的體積．

解答 解：（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
根據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1；
（2）100℃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率為50%，轉(zhuǎn)化的甲烷為0.5mol，則：
            CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）=CO （ g ）+3H₂ （ g ）
起始量（mol）：1         2           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用H₂表示的平均反應(yīng)速率為$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.5}{100}×（\frac{1.5}{100}）^{3}}{\frac{0.5}{100}×\frac{1.5}{100}}$=2.25×10^-4，故答案為：2.25×10^-4；
（3）A．體積壓縮，反應(yīng)混合物各組分濃度都增大，故A錯(cuò)誤；
B．體積壓縮，壓強(qiáng)增大，正逆反應(yīng)速率都增大，正反應(yīng)速率增大更多，故B錯(cuò)誤；
C．體積壓縮，壓強(qiáng)增大，平衡正向移動(dòng)，CH₃OH 的物質(zhì)的量增大，故C正確；
D．體積壓縮，壓強(qiáng)增大，平衡正向移動(dòng)，氫氣物質(zhì)的量減小、甲醇物質(zhì)的量增大，重新平衡c （ H₂ ）/c （CH₃OH ）減小，故D正確；
E．溫度相同，則平衡常數(shù)相同，故E錯(cuò)誤，
故選：CD；
（4）①陽極發(fā)生氧化反應(yīng)，由題目信息可知，陽極上Co²⁺失去電子氧化生成Co³⁺，陽極電極反應(yīng)式為Co²⁺-e^-=Co³⁺，故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②由題目信息可知，Co³⁺將甲醇氧化成CO₂，自身被還原為Co²⁺，反應(yīng)離子方程式為6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
（5）A．電解質(zhì)溶液中沒有電子通過，離子定向移動(dòng)形成電流，故A錯(cuò)誤；
B．負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，由電荷守恒可知還有氫離子生成，電極反應(yīng)式為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺，故B正確；
C．放電過程屬于原電池，電解質(zhì)溶液中陽離子向正極移動(dòng)，即H⁺從負(fù)極區(qū)向正極區(qū)遷移，故C錯(cuò)誤；
D．根據(jù)電子轉(zhuǎn)移守恒，生成二氧化碳為$\frac{1mol×4}{4-（-2）}$=$\frac{2}{3}$mol，則標(biāo)況下生成二氧化碳為$\frac{2}{3}$mol×22.4L/mol=$\frac{44.8}{3}$L，故D錯(cuò)誤，
故選：B．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、反應(yīng)速率計(jì)算、平衡常數(shù)、熱化學(xué)方程式、電化學(xué)等，題目綜合性較大，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)與靈活運(yùn)用能力，難度中等．