Question

(10分）利用光能和光催化剂，可将CO₂和H₂O(g)转化为CH₄和O₂。紫外光照射时，在不同催化剂（I ,II，III)作用下，CH₄的产量随光照时间的变化如下图所示。

(1) 在O〜30小时内，CH₄的平均生成速率和由大到小的顺序为_________；反应开始后的15小时内，在第_________种催化剂的作用下，收集的CH₄最多。

(2) 将所得CH₄与H₂O(g)通入聚焦太阳能反应器，发生反应

CH₄(g)+H₂O(g)CO(g) +3H₂(g) △H=+206kJ·mol^-1。将等物质的量的CH₄和H₂O(g)充入1L恒容密闭容器，某温度下反应达到平衡，此时测得CO的物质的量为O.10 mol,CH₄的平衡转化率为91 %，则此温度下该反应的平衡常数为_________ (计算结果取整数）。

(3) 该反应产生的CO和H₂可用来合成可再生能源甲醇，已知CO(g)、CH₃OH⑴的燃烧热分别为和，则CH₃OH(l)不完全燃烧生成CO(g)和H₂O(l)的热化学方程式为_________。

(4)工业上常利用反应CO(g)+2H₂(g)  CH₃OH (g), △H<0合成甲醇，在230°C〜270°C最为有利。为研究合成气最合适的起始组成比n(H₂)：n(C0),分别在230°C、250⁰C和270⁰C进行实验，结果如图。

①270⁰C的实验结果所对应的曲线是_________ (填字母）；

②230⁰C时，工业生产适宜釆用的合成气组成n(H₂):n(CO)的比值范围是_________ (填字母）。

A. 1 〜1.5   B. 2. 5〜3  C. 3. 5〜4. 5

(5) 某同学以石墨为电极，以KOH溶液为电解质设计甲醇燃料电池，其负极的电极反应式为_________。

 

Answer 1

【答案】

（10分）（1）v(Ⅰ) > v(Ⅱ) > v(Ⅲ) （1分）  II  （1分）

（2）28 (mol·L^-1)²（2分，不带单位不扣分，得出27同样得分）

（3）CH₃OH (l) + O₂(g) = CO(g) + 2H₂O(l)  △H=－443.5 kJ·mol^-1（2分）

（4） ① Z （1分）   ② B （1分）

（5）CH₃OH-6e^-+8OH^- = CO₃^2-+6H₂O（2分）

【解析】本题考查化学反应速率的概念、计算及外界条件对反应速率对影响；反应热的概念和盖斯定律的计算；热化学方程式的书写；与化学平衡有关的计算；图像的识别和绘制。

（1）由图像可以看出，反应进行到30小时时，催化剂Ⅲ生成的甲烷最多，其次是催化剂Ⅱ，催化剂Ⅰ生成的甲烷最少。因此V_I、V_II和V_III从大到小的顺序为V_III＞V_II＞V_I＞；同理由图像也可以看出，反应进行到12小时时，催化剂Ⅱ生成的甲烷最多，因此在第Ⅱ种催化剂的作用下，收集的CH₄最多。

（2）设CH₄、H₂O的物质的量均为xmol，则

            CH₄(g)  +   H₂O(g)CO(g) +3H₂(g)

起始量(mol)  x            x        0      0

变化量(mol) O.10         O.10     O.10   O.30

平衡量(mol) x- O.10      x- O.10   O.10   O.30

根据题意，转化率为91%，则91%x=0.1则x=0.11，平衡各物质的浓度分别为0.01mol·L^-1、0.01mol·L^-1、O.10 mol·L^-1、O.30 mol·L^-1，则平衡常数K=c(CO)·c³(H₂)/[c(CH₄)·c(H₂O)]= 0.01 mol·L^-1·(O.30 mol·L^-1)³/[( O.10 mol·L^-1)·( O.10 mol·L^-1)]=27(mol·L^-1)²

（3）由热化学方程式①CO(g)+ 1/2O₂(g)= CO₂(g) △H=-283 kJ•mol^-1

               ②CH₃OH(g)＋3/2O₂(g) ==CO₂(g)＋2H₂O(l)  △H=-726.5kJ•mol^-1

②－①得CH₃OH (l) + O₂(g) = CO(g) + 2H₂O(l)  △H=－443.5 kJ·mol^-1

(4) ①由于合成甲醇的反应是放热反应，温度升高，平衡向逆反应方向移动，CO的转化率降低，故270⁰C的实验结果所对应的曲线是Z；②从图像中230⁰C对应X曲线，n(H₂):n(CO)的比值达到2.5——3范围，CO的转化率才达到最大，工业生产适宜釆用的合成气组成n(H₂):n(CO)的比值范围选B。

(5)甲醇燃料电池的负极为甲醇被氧化，生成CO₃^2-，故电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^- = CO₃^2-+6H₂O。