Question

能源问题是人类社会面临的重大课题．甲醇是未来重要的绿色能源之一．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=+206.0kJ/mol
Ⅱ．CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
（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1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容积为100L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的平衡转化率与温度的关系如图1．

①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示该反应在0～5min内的平均速率为

 

；
②100℃时反应I的平衡常数为

 

．
（3）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将1.0molCO和2.0molH₂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

1

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）减小      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．重新平衡时c（H₂）/c（CH₃OH）减小       e．平衡常数K增大
（4）甲醇在工业上用途很多
①甲醇蒸气重整法制备氢气：该法中的一个主要反应为CH₃OH（g）═CO（g）+2H₂（g），一定温度下，在密闭恒容的容器中，能表示上述反应达到化学平衡状态的是

 

．
a．2v_逆（CO）=v_正（H₂）           b．CH₃OH的 百分含量不再变
c．混合气体密度保持不变      d．c（CO）：c（H₂）：c（CH₃OH）=1：2：1
②甲醇可用制作燃料电池的燃料：写出以熔融碳酸盐（如：熔融K₂CO₃）为电解质的电池负极反应

 

，其中K⁺向

 

极移动．
（5）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．实验室用图2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若该电解槽用铅蓄电池为电源，则除去32g甲醇至少需要消耗

 

g铅．

Answer 1

考点：转化率随温度、压强的变化曲线,用盖斯定律进行有关反应热的计算,化学平衡状态的判断,电解原理

专题：

分析：（1）依据盖斯定律结合题干热化学方程式计算得到；
（2）①100°时甲烷的转化率为40%，变化的甲烷为0.4mol，生成的氢气依据反应①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；可知氢气物质的量为1.2mol，依据反应速率概念计算；
 ②依据化学平衡三段式计算平衡浓度、根据平衡常数的概念计算得到；
（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

1

2

，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；
（4）①平衡标志是反应的正逆反应速率相同，各组分浓度保持不变；
②负极上甲醇失电子和碳酸根离子反应生成二氧化碳和水；电解质中的阳离子移向正极；
（5）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⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化的离子方程式结合氧化还原反应的实质原子守恒，电荷守恒配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
③根据电极上转移电子的量相等结合电极反应方程式来判断．

解答： 解：（1）依据盖斯定律结合题干热化学方程式计算得到；①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
①-②得到CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol；
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol；
（2）①100°时甲烷的转化率为40%，变化的甲烷为0.4mol，生成的氢气依据反应①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；可知氢气物质的量为1.2mol，用H₂表示该反应的平均反应速率=

1.2mol 100L

5min

=0.0024mol/（L?min）；故答案为：0.0024mol/（L?min）；
②依据化学平衡三段式计算平衡浓度、根据平衡常数的概念计算得到
              CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）0.01    0.02     0       0
变化量（mol/L） 0.004 0.004   0.004    0.012
平衡量（mol/L）0.006  0.016   0.004    0.012
K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

=

0.004×0.0123

0.006×0.016

=7.2×10^-5（mol/L）²
故答案为：7.2×10^-5（mol/L）²；
（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

1

2

，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恒温恒容的容器内进行反应CH₃OH（g）═CO（g）+2H₂（g），
a．2v_逆（CO）=v_正（H₂），正逆反应速率相等，证明反应达到平衡，故正确；
b．CH₃OH的百分含量不再变是平衡的特征，故正确；
c．混合气体的密度等于气体质量和容器体积的比值，反应过程中气体质量守恒，容器体积相同，密度不变，不能证明反应达到平衡，故错误；
d．c（CO）：c（H₂）：c（CH₃OH）=1：2：1不能证明反应达到了平衡，故错误．
故选ab；
②负极上甲醇失电子和碳酸根离子反应生成二氧化碳和水，电极反应式为CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂+2H₂O，燃料电池中，电解质中的阳离子移向正极，即钾离子移向正极．
故答案为：CH₃OH-6e^-+3CO₃^2-=4CO₂+2H₂O；正；
（5）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而净化的离子方程式结合氧化还原反应的实质原子守恒，电荷守恒配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
③若该电解槽用铅蓄电池为电源，Pb负极的反应为：Pb+SO₄^2--2e^-=PbSO₄，根据反应原理：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺则除去32g甲醇转移电子是
6mol，所以至少需要消耗金属铅是3mol，质量是3mol×207g/mol=621g，故答案为：621．

点评：本题考查了热化学方程式的书写，盖斯定律的应用，原电池和电解池原理的综合应用，化学平衡的影响因素分析，反应速率的计算，离子方程式的书写，题目综合性大，难度中等．