Question

甲醇是一种重要的化工原料．
甲醇与水蒸气催化重整可获得清洁能源，具有广泛的应用前景．现有如下实验，在体积为1L的密闭容器中，充入1mol CH₃OH和1molH₂O，一定条件下发生反应：CH₃OH （g）+H₂O （g）?CO₂（g）+3H₂（g），测得CO₂和CH₃OH（g）的浓度随时间变化如下表所示．

时间 物质	0min	10min	30min	60min	70min
CO2（mol/L）	0	0.2	0.6	0.8	0.8
CH3OH（mol/L）	1.0	0.8	0.4	0.2	0.2

（1）已知：CH₃OH （g）+

1

2

O₂ （g）?CO₂（g）+2H₂（g）?H₁=-192.9kJ/mol   K₁
H₂（g）+

1

2

O₂（g）?H₂O（g）?H₂=-120.9kJ/mol   K₂
则甲醇与水蒸气催化重整反应的焓变△H₃=

 

，甲醇与水蒸气催化重整反应的平衡常数K₃=

 

（用K₁、K₂表示）
（2）10～30min内，氢气的平均反应速率v（H₂）=

 

．
（3）下列措施中能使平衡时n（CH₃OH）/n（CO₂）减小的是（双选）

 

．
A．加入催化剂               B．恒容充入He（g），使体系压强增大
C．将H₂（g）从体系中分离     D．再充入1molH₂O（g）
（4）根据题目有关信息，请在坐标图中标示出该甲醇与水蒸气催化重整反应过程的能量变化（标明信息）．
（5）以甲醇、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极可构成燃料电池．已知该燃料电池的总反应式为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，该电池中负极上的电极反应式是：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O，则正极上发生的电极反应为：

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的影响因素,反应热和焓变,化学电源新型电池

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式得到反应焓变；
结合平衡常数概念书写反应的平衡常数表达式计算得到K₃和K₁、K₂的关系；
（2）依据反应速率概念计算，v=

△c

△t

计算得到二氧化碳的反应速率，结合反应速率之比等于化学方程式计量数之比计算得到氢气反应速率；
（3）为使甲醇与二氧化碳的物质的量比值增大，应使平衡向正反应方向移动，或增加甲醇的物质的量；
（4）根据该反应放热，生成物的总能量小于反应物的总能量，△H＜O；
（5）根据正极的电极反应=总反应-负极的电极反应．

解答： 解：（1）①CH₃OH （g）+

1

2

O₂ （g）?CO₂（g）+2H₂（g）?H₁=-192.9kJ/mol   K₁
②H₂（g）+

1

2

O₂（g）?H₂O（g）?H₂=-120.9kJ/mol   K₂
结合盖斯定律计算①-②得到甲醇与水蒸气催化重整反应的热化学方程式为：CH₃OH （g）+H₂O （g）?CO₂（g）+3H₂（g），△H₃=-72KJ/mol；
K₁=

c(CO2)c2(H2)

c(CH3OH)c 1 2 (O2)

K₂=

c(H2O)

c(H2)c 1 2 (O2)

K₃=

c(CO2)c3(H2)

c(CH3OH)c(H2O)

=

K1

K2

；
故答案为：-72.0kJ/mol； K₃=

K1

K2

； 
（2）10～30min内，二氧化碳的反应速率v（CO2）=

0.6mol/L-0.2mol/L

30min-10min

=0.02mol/L?min，氢气的平均反应速率v（H₂）=3v（CO₂）=0.06mol/L?min；
故答案为：0.06 mol/（L?min）；
（3）CH₃OH （g）+H₂O （g）?CO₂（g）+3H₂（g），反应是气体体积增大的反应；
A、加入催化剂，平衡向不发生移动，甲醇与二氧化碳的物质的量比值不变，故A错误；
B、恒容充入He（g），使体系压强增大，分压不变，对反应物质没有影响，平衡不移动，二者比值不变，故B错误；
C、将H₂（g）从体系中分离，生成物的浓度减小，平衡向正反应方向移动，二者比值变大，故C正确；
D、再充入1mol H₂O，平衡向正方向移动，甲醇浓度增大，二者比值增大，故D正确．
故答案为：CD；
（4）该反应放热，生成物的总能量小于反应物的总能量，△H＜O，图象为：；
故答案为：；

（5）燃料电池的总反应式为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，负极上的电极反应式是：2CH₃OH-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+12H₂O，两式相减，正极上的电极反应式是：3O₂+12H₂O+12e^-=12OH^-，所以正极上发生的电极反应为O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；

点评：本题主要考查化学反应速率、平衡图象、化学平衡常数、平衡状态的判断、电极反应方程式等，难度中等，注意基础知识的理解掌握．