Question

（12分）甲醇可作为燃料电池的原料。以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应来制备甲醇。

I：CH₄ ( g ) + H₂O ( g ) ＝CO ( g ) + 3H₂ ( g )△H ＝+206.0 kJ·mol^－1

II：CO ( g ) + 2H₂ ( g ) ＝ CH₃OH ( g )        △H ＝—129.0 kJ·mol^－1

（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1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O ( g )通入容积为100 L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的转化率与温度的关系如右图。

①假设100 ℃时达到平衡所需的时间为5 min，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           。

（3）在压强为0.1 MPa、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生成甲醇，平衡后将容器的容积压缩到原来的l/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

（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⁺，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                。

③若右图装置中的电源为甲醇—空气—KOH溶液的燃料电池，则电池负极的电极反应式：                                    ，净化含1 mol甲醇的水燃料电池需消耗KOH

            mol。

Answer

（1）CH4(g)+H2O(g)＝CH3OH (g)+H2(g)   △H ＝+77.0 kJ·mol－1（2分）

（2）0.003 mol·L－1·min－1 （2分）   2.25×10-4 （2分）

（3）C 、D（各1分，共2分）

（4） Co2+ —e—  ＝ Co3+ （1分）   6Co3++CH3OH+H2O ＝ CO2↑+6 Co2++6H+（1分）

CH3OH—6e—+8OH— ＝ CO32—+ 6H2O（1分）       2（1分）

【解析】（1）根据盖斯定律可知，I＋Ⅱ即得到CH4(g)+H2O(g)＝CH3OH (g)+H2(g)，所以反应热是+206.0 kJ·mol－1－129.0 kJ·mol－1＝+77.0 kJ·mol－1。

（2）①根据图像可知，该温度下甲烷的转化率是50％，所以生成氢气是1.5mol，所以氢气的反应速率是。

②平衡时甲烷是0.005mol/L，水蒸气是0.015mol/L，CO是0.005mol/L，氢气浓度是0.015mol/L，所以该温度下的平衡常数是。

（3）反应Ⅱ是体积减小的，所以平衡后将容器的容积压缩到原来的l/2，压强增大，平衡向正反应方向移动，所以CD正确，A不正确，氢气浓度增大，B不正确，逆反应速率也是增大的，E不正确，平衡常数与温度有关系。答案选CD。

（4）①阳极失去电子，所以根据题意可知，Co2+在阳极放电，反应式为Co2+ —e—＝ Co3+ 。

②Co3+能把水中的甲醇氧化成CO2，所以方程式为6Co3++CH3OH+H2O ＝ CO2↑+6 Co2++6H+。

③原电池中负极失去电子，所以甲醇在负极通入，电极反应式是CH3OH—6e—+8OH— ＝ CO32—+ 6H2O。氧气在正极通入，总反应式为2CH3OH＋3O2＋4OH－=2CO32－＋6H2O。1mol甲醇在净化时转移6mol电子，所以根据电子的得失守恒可知，需要氢氧化钠是2mol。