Question

19．甲醇是一種重要的工業(yè)原料，利用甲醇可以制氫氣．
Ⅰ．甲醇與水蒸氣反應可以直接制得氫氣．
已知  CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H＞0
一定條件下，向體積為2L的恒容器密閉容器中充入1.2molCH₃OH（g）和2.8molH₂O（g），實驗測得，反應共吸收的能量和甲醇的體積分數(shù)隨時間變化的曲線圖象如圖1．

（1）從反應開始至平衡，H₂的平均反應速率為0.03mol/（L•s）．
（2）該條件下，CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）的△H=+49.4kJ/mol，該反應的平衡常數(shù)為0.09（mol/L）²．
（3）B點時水的體積分數(shù)＞C點（填“＞”、“=”或“＜”）．
（4）在D點時，將容器的體積壓縮為原來的一半，同時再充入7.2mol的H₂O（g），CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）平衡不移動（填“往左”、“往右”或“不”）．
Ⅱ．將甲醇燃料電池高溫電解等物質的量的H₂O-CO₂混合氣體可以間接制備H₂．其基本原理如圖2所示．
（5）甲醇燃料電池以酸性溶液為電解質，寫出電池負極的電極反應式CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．
（6）電解池中發(fā)生的總反應方程式為H₂O+CO₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂+CO+O₂．
（7）當質子交換膜中通過的H⁺數(shù)目為4.816×10²³時，理論上電解池中產生的H₂為4.48L（標準狀況）．

Answer 1

分析 （1）反應前c（CH₃OH）=$\frac{1.2mol}{2L}$=0.6mol/L、c（H₂O）=$\frac{2.8mol}{2L}$=1.4mol/L，
設參加反應的c（CH₃OH）為xmol/L，
            CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）
反應前（mol/L）0.6       1.4      0        0 
反應（mol/L）  x         x        x       3x
平衡（mol/L）0.6-x      1.4-x     x       3x
根據(jù)圖知，反應后甲醇的體積分數(shù)占$\frac{1}{6}$，相同條件下體積之比等于其物質的量之比，所以甲醇的物質的量分數(shù)=$\frac{0.6-x}{（0.6-x）+（1.4-x）+x+3x}$=$\frac{1}{6}$，x=0.2
則生成c（H₂）=3x=3×0.2mol/L=0.6mol/L，
v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$；
（2）參加反應的n（CH₃OH）=0.2mol/L×2L=0.4mol，有0.4mol甲醇反應吸收19.76kJ熱量，據(jù)此計算1mol甲醇反應吸收的熱量；
化學平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{O}_{2}）．{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}$；
（3）根據(jù)圖知，從B點到C點，甲醇的體積分數(shù)在減小，說明平衡正向移動，水的物質的量減��；
（4）根據(jù)濃度商與化學平衡常數(shù)相對大小確定反應方向，如果濃度商等于平衡常數(shù)，則平衡不移動；
（5）甲醇燃料酸性電池中，負極上甲醇失電子發(fā)生氧化反應；
（6）電解池中，反應物是水和二氧化碳，生成物是氫氣、CO和氧氣；
（7）串聯(lián)電路中轉移電子相等，根據(jù)轉移電子相等計算生成氫氣體積．

解答 解：（1）反應前c（CH₃OH）=$\frac{1.2mol}{2L}$=0.6mol/L、c（H₂O）=$\frac{2.8mol}{2L}$=1.4mol/L，
設參加反應的c（CH₃OH）為xmol/L，
            CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）
反應前（mol/L）0.6       1.4      0        0 
反應（mol/L）  x         x        x       3x
平衡（mol/L）0.6-x      1.4-x     x       3x
根據(jù)圖知，反應后甲醇的體積分數(shù)占$\frac{1}{6}$，相同條件下體積之比等于其物質的量之比，所以甲醇的物質的量分數(shù)=$\frac{0.6-x}{（0.6-x）+（1.4-x）+x+3x}$=$\frac{1}{6}$，x=0.2
則生成c（H₂）=3x=3×0.2mol/L=0.6mol/L，
v（H₂）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.6mol/L}{20s}$=0.03mol/（L•s），
故答案為：0.03mol/（L•s）；
（2）參加反應的n（CH₃OH）=0.2mol/L×2L=0.4mol，有0.4mol甲醇反應吸收19.76kJ熱量，據(jù)此計算1mol甲醇反應吸收的熱量=$\frac{19.76kJ}{0.4mol}$=+49.4kJ/mol；
化學平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{O}_{2}）．{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）．c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.2×0．{6}^{3}}{0.4×1.2}$=0.09（mol/L）²，
故答案為：+49.4kJ/mol；0.09（mol/L）²；
（3）根據(jù)圖知，從B點到C點，甲醇的體積分數(shù)在減小，說明平衡正向移動，水的物質的量減小，B點時水的體積分數(shù)大于C點，故答案為：＞；
（4）再充入7.2mol水蒸氣，c（H₂O）=$\frac{7.2mol}{1L}$=7.2mol/L，縮小容器體積時，c（CH₃OH）=0.8mol/L、c（H₂O）
=9.6mol/L、c（CO₂）=0.4mol/L、c（H₂）=1.2mol/L，
濃度商=$\frac{0.4×1．{2}^{3}}{0.8×9.6}$=0.09，其濃度商等于化學平衡常數(shù)，所以平衡不移動，
故答案為：不；
（5）甲醇燃料酸性電池中，負極上甲醇失電子發(fā)生氧化反應，電極反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
（6）電解池中，反應物是水和二氧化碳，生成物是氫氣、CO和氧氣，則電池反應式為H₂O+CO₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂+CO+O₂，
故答案為：H₂O+CO₂$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$H₂+CO+O₂；
（7）串聯(lián)電路中轉移電子相等，正極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，通過離子交換膜的氫離子是4，當質子交換膜中通過的H⁺數(shù)目為4.816×10²³時，通過的氫離子物質的量=$\frac{4.816×1{0}^{23}}{6.02×1{0}^{23}/mol}$=0.8mol，轉移0.8mol電子得到0.8mol電子，
根據(jù)轉移電子相等得生成氫氣體積=$\frac{0.8mol}{4}×1×22.4L/mol$=4.48L，
故答案為：4.48．

點評 本題考查化學平衡有關計算、原電池原理等知識點，為高頻考點，側重考查學生分析計算及知識綜合運用能力，根據(jù)平衡常數(shù)與濃度商相對大小確定反應方向為該題難點，題目難度中等．