Question

【题目】氢气、甲醇是优质的清洁燃料，可制作燃料电池。

(1)已知32 g甲醇燃烧生成二氧化碳和液态水放出的热量为725. 76 kJ，若上述过程生成的水为气态，则放出的热量________(填“大于”“小于”或“等于”) 725.76kJ。

(2)生产甲醇的原料 CO 和 H2来源于CH4(g)+H2O (g)CO(g)+3H2(g)△H > 0，100℃时，将1 mol CH4和2 mol H2O通入容积为1L的定容密封容器中，发生上述反应。

①能说明该反应已达到平衡状态的是________(填字母代号)。

a.容器内气体密度恒定

b.单位时间内消耗0.1mol CH4的同时生成0.3mol H2

c.容器内的压强恒定

d.3v正(CH4) = v 逆(H2)

②如果反应开始至 5 min 后达到平衡 ，且平衡时CH4 的转化率为 50%，则从开始到平衡这段时间内用比表示的反应速率为___________。

(3)近几年开发的甲醇燃料电池采用作铂电极催化剂，电池中的质子交换膜只允许质子和水分子通过。其工作原理示意图如图所示：

①P t (a)电极是电池的________极，电极反应式为_____________ 。

②如果该电池工作时电路中通过1.806×1023个电子，则消耗 CH3OH___g。

Answer 1

【答案】小于 cd 0. 3molL-1 min-1 负 CH3OH-6e-+H2O=CO2 +6H+ 1.6

【解析】

气态水的能量高于液态水的能量；当正逆反应速率相等，各组分浓度不再改变的时反应达到平衡状态；根据燃料电池的工作原理示意图可知，甲醇生成二氧化碳，碳元素化合价升高，发生氧化反应，故P t (a)为负极。

(1)因为气态水所具有的能量高于液态水具有的能量，故甲醇燃烧生成气态水时放出的热量小于生成液态水时放出的能量。

(2)a.反应物和生成物均为气体，故反应前后气体的质量不变，容器的体积也一直不变，故容器内气体密度一直为恒定值，故不能说明达到平衡状态，a错误；

b.消耗CH4为反应正方向，生成 H2也反应正方向，不能说明正逆反应速率相等，故不能说明达到平衡状态，b错误；

c.根据反应方程式可知，该反应为反应前后气体分子数增大的反应，故反应开始容器内的压强增大，当压强恒定时说明反应达到平衡状态，c正确；

d.根据反应方程式可知，甲烷与氢气的化学计量数比为1:3，故反应速率之比也为1:3，故3v正(CH4) = v 逆(H2)说明正逆反应速率相等，反应达到平衡状态，d正确；

答案选cd。

②如果反应开始至 5 min 后达到平衡 ，且平衡时CH4 的转化率为 50%，故反应消耗的CH4的物质的量为0.5mol，生成的H2的物质的量为1.5mol，则从开始到平衡这段时间内用H2表示的反应速率v=。

(3)①综上分析，P t (a)电极是电池的负极，碳元素由-2价变为+4价，失去电子生成二氧化碳和氢离子，故电极反应式为CH3OH-6e-+H2O=CO2 +6H+。

②根据负极电极反应式可知，消耗1mol CH3OH转移6mol e-，则如果该电池工作时电路中通过1.806×1023个电子，物质的量为0.3mol，则消耗 CH3OH的物质的量为0.05mol，质量为1.6g。