Question

1．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）反應生成CH₃OH （g）和H₂（g）的熱化學方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1．
（2）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容積為10L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應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100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應的平均反應速率為0.003 mol•L^-1•min^-1．
②100℃時反應I的平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
（3）在壓強為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將amol CO與3amol H₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應Ⅱ生成甲醇，平衡后將容器的容積壓縮到原的$\frac{1}{2}$，其他條件不變，對平衡體系產(chǎn)生的影響是C、D（填字母序號）．
A  c（H₂）減少               B  正反應速率加快，逆反應速率減慢
C  CH₃OH 的物質(zhì)的量增加      D  重新平衡$\frac{{c（{H_2}）}}{{c（C{H_3}OH）}}$減小   E．平衡常數(shù)K增大
（4）甲醇對水質(zhì)會造成一定的污染，有一種電化學法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做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寫出陽極電極反應式Co²⁺-e^-=Co³⁺．
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （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；
（2）100℃時達到平衡時，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學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=$\frac{△n}{V•△t}$計算v（H₂）；
（3）其他條件不變，平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，正、逆反應速率都增大，但正反應速率增大更多，平衡向正反應方向移動，生成物的濃度增大，由于溫度不變，則平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時反應物各組分的濃度都增大，據(jù)此分析解答；
（4）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②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⁺．

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=+77.0 kJ•mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g）△H=+77.0 kJ•mol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應的甲烷為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100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應的平均反應速率=$\frac{1.5mol}{100L×5min}$=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=$\frac{0.005×0.015{\;}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
（3）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$，壓強增大，平衡向正反應方向移動，生成物的濃度增大，由于平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時反應物各組分的濃度都增大，故A錯誤；
B．壓強增大，正、逆反應速率都增大，但正反應速率增大更多，故B錯誤；
C．壓強增大，平衡向正反應方向移動，CH₃OH 的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．壓強增大，平衡向正反應方向移動，氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)的量增大，故重新平衡$\frac{c（H{\;}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小，故D正確；
E．平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變，故E錯誤，
故答案為：CD；
（4）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應，電極反應為Co²⁺-e^-=Co³⁺；
故答案為：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②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：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

點評 本題考查較為綜合，涉及熱反應熱的計算、化學反應速率及平衡常數(shù)的計算、電解池原理等，難度中等，掌握計算方法和化學反應原理是解題關(guān)鍵．