Question

【題目】中國首臺靜默移動發(fā)電站MFC30 正式問世，MFC30 是基于甲醇重整制氫燃料電池發(fā)電技術。已知甲醇制氫方式主要有以下三種：

方法Ⅰ甲醇水蒸氣重整制氫：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1= +49.4kJ/mol

方法Ⅱ甲醇氧化重整制氫: CH3OH(g)+O2(g)CO2(g)+ 2H2(g) ΔH2=-192.4 kJ/mol

方法Ⅲ甲醇分解制氫：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH3

（1）已知CO 的燃燒熱△H=-283.0kJ/mol，請結(jié)合方法Ⅱ的熱化學方程式計算△H3=__________，該反應在_________條件(“高溫”，“低溫”或“任意溫度”下自發(fā)進行。

（2）實驗室模擬方法Ⅰ制氫，當合成氣組成n(CH3OH)∶n(H2O)=1∶1時，體系中甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度和壓強的關系如圖甲所示。

①溫度為250℃、壓強為P2時，反應達平衡時H2的體積分數(shù)為______________________；

②圖中的壓強由小到大的順序是___________________，理由是_________________________________。

（3）方法Ⅲ制H2的能量變化曲線如圖乙所示。圖中由曲線a變化到曲線b應采取的措施是_____________________。恒溫恒容時，下列選項能說明該反應達到平衡狀態(tài)的是___________。

a.v正(CO)=2v逆(H2) b.體系的平均摩爾質(zhì)量不再改變

c.H2的濃度保持不變 d. △H不再改變

（4）甲醇會對水質(zhì)造成一定的污染，有一種電化學方法可以消除這種污染，原理是在通電的條件下將酸性溶液中的Co2+氧化成Co3+，然后以Co3+做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO2而凈化。請寫出Co3+去除甲醇的離子方程式______________________________。

（5）MFC30 燃料電池是以氫氣為燃料、熔融Li2CO3與K2CO3混合物為電解質(zhì)的高溫型燃料電池，其負極的電極反應式為_________________________________。

Answer 1

【答案】 +90.6kJ/mol 高溫 66.7%或2/3 P1<P2<P3 此反應為氣體分子數(shù)目增大的反應，在相同溫度下，增大壓強，平衡逆向移動，甲醇的轉(zhuǎn)化率減小 加入正催化劑 bc 6Co3++CH3OH+H2O=6Co2++6H++CO2↑ H2-2e-+CO32-=H2O+CO2

【解析】（1）CO 的燃燒熱△H=-283.0kJ/mol，即CO(g) + O2(g)CO2(g) △H=-283.0kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，可得ΔH3=-192.4 kJ/mol-(-283.0kJ/mol)= +90.6kJ/mol；結(jié)合吉普斯自由能ΔG=ΔH-T×ΔS<0時，該反應能自發(fā)，反應CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)屬于熵增大的反應，故在高溫下能自發(fā)進行；

（2）① CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

起始n/mol n n 0 0

變化n/mol 0.8n 0.8n 0.8n 2.4n

平衡n/mol 0.2n 0.2n 0.8n 2.4n

反應達平衡時H2的體積分數(shù)為==66.7%；②反應CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2為氣體分子數(shù)目增大的反應，在相同溫度下，增大壓強，平衡逆向移動，甲醇的轉(zhuǎn)化率減小，故P1＜P2＜P3；（3）由圖乙可知，b的活化能低于a的活化能，故由曲線a變化到曲線b應采取的措施是加入正催化劑；根據(jù)反應CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)可知，2v正(CO)= v逆(H2)，說明反應達到平衡，a項錯誤；，因參與反應的均為氣體，反應前后m不變、n變化，故體系的平均摩爾質(zhì)量不再改變說明反應已經(jīng)達到平衡，b項正確；H2的濃度保持不變說明反應已經(jīng)達到平衡，c項正確；焓變是與化學反應的起始狀態(tài)、終止狀態(tài)有關，與物質(zhì)所處環(huán)境的壓強、溫度等因素有關，與化學反應的過程無關，d項錯誤。（4）Co3+把水中的甲醇氧化成CO2，而自身被還原Co2+，其離子方程式：6Co3++CH3OH+H2O=6Co2++6H++CO2↑；（5）燃料在燃料電池的負極發(fā)生氧化反應，其電極反應式為H2-2e-+CO32-=H2O+CO2。