Question

甲醇可作為燃料電池的原料．以CH₄和H₂O為原料，通過下列反應(yīng)來制備甲醇．
Ⅰ：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ?mol^-1
Ⅱ：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-129.0kJ?mol^-1
（1）CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CH₃OH（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為

 

．
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為100L的反應(yīng)室中，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，測得在一定的壓強下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖1．

①假設(shè)100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)從開始到達到平衡時的反應(yīng)速率為

 

．
②100℃時反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)為

 

．
（3）甲醇對水質(zhì)會造成一定的污染，有一種電化學(xué)法可消除這種污染，其原理是通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，
然后以Co³⁺作氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．
實驗室用圖2裝置模擬上述過程：
①完成除去甲醇的離子方程式：

②若圖2裝置中的電源為甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池，則電池負極的電極反應(yīng)式：

 

；
③凈化含1mol甲醇的水，理論上燃料電池需消耗KOH

 

mol．

Answer 1

考點：用蓋斯定律進行有關(guān)反應(yīng)熱的計算,轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強的變化曲線,電解原理

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律書寫熱化學(xué)方程式；
（2）100℃時達到平衡時，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計算平衡時各組分的物質(zhì)的量；
①根據(jù)c=

△n V

△t

計算v（H₂）；
②計算平衡狀態(tài)時各物質(zhì)的濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算；
（3）①以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，
配平書寫為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
②負極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水；
③利用電池反應(yīng)方程式2CH₃OH+3O₂+4KOH═2K₂CO₃+6H₂0分析．

解答： 解：（1）I：CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.0kJ?mol^-1
II：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ?mol^-1
依據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77kJ?mol^-1
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77.0kJ?mol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0       2.0      0         0
變化量（mol）：0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5       1.5      0.5      1.5
①假設(shè)100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
②100℃時反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，
平衡常數(shù)K=

0.005×0.0153

0.005×0.015

=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
（3）①以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，自身被還原為Co²⁺，結(jié)合原子守恒與電荷守恒可知，還原生成H⁺，配平書寫離子方程式為：
6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺，
故答案為：6、CO₂↑、6、6H⁺；
②負極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水，負極電極反應(yīng)式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O．
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-═CO₃^2-+6H₂O
③甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池的總反應(yīng)方程式為2CH₃OH+3O₂+4KOH═2K₂CO₃+6H₂O，CH₃OH與KOH的物質(zhì)的量之比為1：2，1molCH₃OH反應(yīng)，應(yīng)有2molKOH參與反應(yīng)．
故答案為：2．

點評：本題考查熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象、影響化學(xué)平衡因素、平衡常數(shù)與反應(yīng)速率計算、原電池等，掌握基礎(chǔ)是解本題的關(guān)鍵，題目難度中等．