Question

甲醇可作为燃料电池的原料．以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应反应来制备甲醇．
（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积为100L的反应室，在一定条件下发生反应Ⅰ：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），测得在一定的压强下CH₄的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表示该反应的平均反应速率为

 

．
②100℃时反应I的平衡常数为

 

．
（2）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将a mol CO与3a mol H₂的混合气体在催化剂作用下发生反应Ⅱ：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g），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 ）减少                 
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

c(H2)

c(CH3OH)

减小
E．平衡常数K增大
（3）工业上利用甲醇制备氢气的常用方法有：甲醇部分氧化法．在一定温度下以Ag/CeO₂-ZnO为催化剂时原料气比例对反应的选择性（选择性越大，表示生成的该物质越多）影响关系如图所示．则当

n(O2)

n(CH3OH)

=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应方程式为

 

；
（4）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⁺，Co³⁺做氧化剂消除水中的甲醇．实验室用右图装置模拟上述过程：
①写出阳极电极反应式

 

．
②写出除去甲醇的离子方程式

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的影响因素,化学电源新型电池,化学平衡常数的含义

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）100℃时达到平衡时，甲烷转化率为50%，结合化学平衡三段式列式计算平衡时各组分的物质的量，
①根据v=

△n V

△t

，计算v（H₂）
②计算平衡状态时各物质的浓度，代入平衡常数表达式计算；
（2）其他条件不变，平衡后将容器的容积压缩到原来的

1

2

，压强增大，正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大更多，平衡向正反应方向移动，生成物的浓度增大，由于温度不变，则平衡常数不变，结合平衡常数可知，平衡时反应物各组分的浓度都增大，据此分析解答；
（3）当n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应为甲醇的催化氧化生成甲醛；
（4）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，自身被还原为Co²⁺，原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
③负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根与水；利用电池反应方程式2CH₃OH+3O₂+4KOH═2K₂CO₃+6H₂0分析．

解答： 解：（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为100L的反应室，在一定条件下发生反应I，由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：
             CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0     2.0      0        0
变化量（mol）：0.5     0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5     1.5      0.5      1.5
①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示该反应的平均反应速率=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，故答案为：0.003 mol?L^-1?min^-1；
②100℃时反应I的平衡浓度为c（CH₄）=0.050mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，
平衡常数K=

0.005×0.0153

0.005×0.015

=2.25×10^-4，
故答案为：2.25×10^-4；
（2）A．平衡后将容器的容积压缩到原来的

1

2

，压强增大，平衡向正反应方向移动，生成物的浓度增大，由于平衡常数不变，结合平衡常数可知，平衡时反应物各组分的浓度都增大，故A错误；
B．压强增大，正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大更多，故B错误；
C．压强增大，平衡向正反应方向移动，CH₃OH 的物质的量增加，故C正确；
D．压强增大，平衡向正反应方向移动，氢气的物质的量减小、甲醇的物质的量增大，故重新平衡

c(H2)

c(CH3OH)

减小，故D正确；
E．平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数不变，故E错误，
故答案为：CD；
（3）则当

n(O2)

n(CH3OH)

=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应为甲醇的催化氧化生成甲醛，反应的方程式为：2CH₃OH+O₂→2HCHO+2H₂O，故答案为：2CH₃OH+O₂→2HCHO+2H₂O；
（4）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，自身被还原为Co²⁺，结合原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写离子方程式为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

点评：本题考查化学平衡图象、影响化学平衡因素、平衡常数与原电池等，掌握基础是解本题的关键，题目难度中等．