Question

甲醇是未來重要的綠色能源之一．以CH₄和H₂O為原料，通過下列反應來制備甲醇．
Ⅰ、CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0KJ/mol
Ⅱ、CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-129.0KJ/mol
（1）CH₄（g）與 H₂O（g）反應成CH₃OH（g）和H₂（g）的熱化學方程式為

 

．
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為2L的密閉容器中，在一定條件下發(fā)生反應I，測得在一定壓強下平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關系如圖1．

①假設100℃時反應I達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示這段時間該反應的平均反應速率為

 

．
②100℃時反應I的平衡常數(shù)為

 

．若保持溫度和容器的容積不變，5min時再向容器中充入H₂O（g）和CO各0.2mol，平衡將

 

移動（填“正向”、“逆向”或“不”）．
（3）如圖2，P是可自由平行滑動的活塞，關閉K₂，在相同溫度下，通過K₁、K₃分別向A、B中各充入2mol CO和3mol H₂，在一定條件下發(fā)生反應Ⅱ，關閉K₁、K₃，反應起始時A、B的體積相同，均為a L．
①反應達到平衡后，A內(nèi)壓強為起始壓強的

3

5

，則平衡時A容器中H₂的體積分數(shù)為

 

．
②若在平衡后打開K₂，再次達到平衡后B容器的體積縮至0.6a L，則打開K₂之前，B容器的體積為

 

L．
（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⁺作氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．實驗室用如圖3裝置模擬上述過程：
①寫出陽極電極反應式

 

；
②寫出除去甲醇的離子方程式

 

．

Answer 1

考點：熱化學方程式,原電池和電解池的工作原理,化學平衡建立的過程,化學平衡的計算

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律書寫熱化學方程式；
（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=

△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；比較Qc和K的大小解答；
（3）在AB中發(fā)生反應CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g），依據(jù)三段式法解答，注意相同體積時，氣體的壓強之比等于氣體的物質(zhì)的量之比，壓強相等時，氣體的體積之比等于物質(zhì)的量之比；
（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=+77.0kJ?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2L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40%，故參加反應的甲烷為1mol×40%=0.4mol，則：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0        0
變化量（mol）：0.4      0.4      0.4      1.2
平衡量（mol）：0.6      1.6      0.4      1.2
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=

1.2mol 2L

5min

=0.12 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.12 mol?L^-1?min^-1；
②100℃時反應I的平衡濃度為c（CH₄）=0.30mol/L，c（H₂O）=0.8mol/L，c（CO）=0.2mol/L，c（H₂）=0.6mol/L，
平衡常數(shù)K=

0.6mol?L-13×0.2mol?L-1

0.3mol?L-1×0.8mol?L-1

=0.18mol²?L^-2，
平衡后再向容器中充入H₂O（g）和CO各0.2mol，則c（CH₄）=0.30mol/L，c（H₂O）=0.9mol/L，c（CO）=0.3mol/L，c（H₂）=0.6mol/L，Qc=

0.6mol?L-13×0.3mol?L-1

0.9mol?L-1×0.3mol?L-1

=0.24（mol/L）²＞K=0.18mol²?L^-2，平衡逆向移動，
故答案為：0.18mol²?L^-2；逆向；
（3）①A中    CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
反應前（mol）2        3         0 
反應了（mol）x        2x        x
平衡后（mol）2-x      3-2x       x
體積不變時，氣體的壓強之比等于氣體的物質(zhì)的量之比，則有（2-x+3-2x+x）：（2+3）=3：5
解得：x=1，平衡時氫氣的體積分數(shù)為：

1mol

1mol+1mol+1mol

=

1

3

，故答案為：

1

3

；
②打開K2，AB都是恒壓環(huán)境，AB的體積共縮小了0.4aL，A與B體積相等，則A與B各縮小了0.2aL，則打開K₂之前，B容器的體積為0.8aL，故答案為：0.8aL；
（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：本題考查了蓋斯定律的應用、化學反應速率的求算、化學平衡常數(shù)的求算及與Qc的關系、恒壓恒容容器中反應情況比較、原電池原理分析和電極反應書寫方法，題目難度較大，注意認真分析．