Question

【題目】甲醇不僅是重要的化工原料，而且還是性能優(yōu)良的能源和車用燃料。

Ⅰ.甲醇水蒸氣重整制氫是電動汽車氫氧燃料電池理想的氫源，生產(chǎn)過程中同時也產(chǎn)生CO，CO會損壞燃料電池的交換膜。相關(guān)反應(yīng)如下：

反應(yīng)①CH3OH(g) + H2O(g)CO2(g) + 3H2(g) △H1

反應(yīng)②H2(g)+CO2(g)CO(g) + H2O(g) △H2=+41kJ/mol

如圖表示恒壓容器中0.5mol CH3OH(g)和0.5mol H2O(g)轉(zhuǎn)化率達80％時的能量變化。

(1)計算反應(yīng)①的△H1= ________。

(2)反應(yīng)①能夠自發(fā)進行的原因是________。升溫有利于提高CH3OH轉(zhuǎn)化率，但也存在一個明顯的缺點是 _________。

(3)恒溫恒容下，向密閉容器中通入體積比為1:1的H2和CO2，能判斷反應(yīng)CH3OH(g) + H2O(g)CO2(g) + 3H2(g)處于平衡狀態(tài)的是____________。

A.體系內(nèi)壓強保持不變

B.體系內(nèi)氣體密度保持不變

C.CO2的體積分數(shù)保持不變

D.斷裂3mol H-H鍵的同時斷裂3mol H-O鍵

(4)250℃，一定壓強和催化劑條件下，1.00mol CH3OH 和 1.32mol H2O充分反應(yīng)，平衡測得H2為2.70mol，CO為 0.030mol，則反應(yīng)①中CH3OH的轉(zhuǎn)化率_________，反應(yīng)②的平衡常數(shù)是 _________(以上結(jié)果均保留兩位有效數(shù)字)。

Ⅱ.如圖是甲醇燃料電池工作示意圖：

(5)當內(nèi)電路轉(zhuǎn)移1.5molCO32-時，消耗甲醇的質(zhì)量是_________g。

(6)正極的電極反應(yīng)式為 _______。

Answer 1

【答案】+49kJ/mol 該反應(yīng)為熵增加的反應(yīng)，熵增效應(yīng)大于能量效應(yīng) CO含量增高，會破壞該電池的交換膜 ACD 91% 5.6×10-3 16g O2+2CO2+4e-=2CO32-

【解析】

（1）由圖可知，0.5mol CH3OH（g）和0.5mol H2O（g）轉(zhuǎn)化率達80%即0.4mol時吸收能量23kJ-3.4kJ=19.6kJ，計算1molCH3OH（g）和H2O（g）轉(zhuǎn)化的能量可得；

（2）根據(jù)熵變分析；升溫有利于提高CH3OH轉(zhuǎn)化率，促進CO的生成，破壞電池交換膜；

（3）根據(jù)化學(xué)平衡狀態(tài)特征：正逆反應(yīng)速率相等，各組分含量保持不變分析；

（4）根據(jù)題意，衡時測得H2為2.70mol，CO為0.030mol，說明反應(yīng)②生成的H2O（g）為0.03mol，消耗CO2（g）為0.03mol，參與反應(yīng)②的H2為2.73mol，由反應(yīng)①生成，則反應(yīng)①生成CO2（g）為0.91mol，反應(yīng)中的CO2（g）為0.88mol，根據(jù)反應(yīng)①生成H2為2.73mol，生成CO2（g）為0.91mol，則參與反應(yīng)的 CH3OH為0.91mol，H2O（g）為0.91mol，故裝置中CH3OH為0.09mol，H2O（g）為1.32mol-0.91mol+0.03mol=0.44mol，H2為2.70mol，CO為0.030mol，CO2（g）為0.88mol，結(jié)合轉(zhuǎn)化率=變化量除以起始量和反應(yīng)②的K= 計算；

（5）甲醇燃料電池甲醇為負極，電極反應(yīng)為：2CH3OH-12e-+6CO32-=8CO2+4H2O，據(jù)此計算；

（6）正極為氧氣發(fā)生氧化反應(yīng)，結(jié)合電解質(zhì)可得。

(1)由圖可知，0.5mol CH3OH(g)和0.5mol H2O(g)轉(zhuǎn)化率達80%即0.4mol時吸收能量23kJ-3.4kJ=19.6kJ，則1molCH3OH(g)和H2O(g)轉(zhuǎn)化的能量=49kJ，故反應(yīng)①的△H1=+49kJ/mol；

(2)反應(yīng)①的△H＞0，但熵增加△S＞0，根據(jù)△G=△H-T△S＜0時反應(yīng)自發(fā)進行可知當達到一定溫度時，該反應(yīng)可以自發(fā)進行，即該反應(yīng)能自發(fā)進行是由于熵增效應(yīng)大于能量效應(yīng)；升溫有利于提高CH3OH轉(zhuǎn)化率，促進CO的生成，提高CO的產(chǎn)量，但CO會破壞該電池的交換膜；

(3)A．該反應(yīng)前后氣體系數(shù)之和不同，平衡移動過程中壓強會發(fā)生變化，所以體系內(nèi)壓強保持不變時說明反應(yīng)達到平衡，故A正確；

B．體系內(nèi)混合氣體總質(zhì)量保持不變，恒容體積不變，氣體密度始終保持不變，不能判斷化學(xué)平衡，故B錯誤；

C．反應(yīng)達到平衡時各組分含量保持不變，所以CO2的體積分數(shù)保持不變說明反應(yīng)達到平衡，故C正確；

D．斷裂3mol H-H鍵的同時斷裂3mol H-O鍵，說明消耗3mol氫氣的同時消耗1mol甲醇和1mol水，說明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)達到平衡，故D正確；

綜上所述選ACD；

(4)根據(jù)題意，衡時測得H2為2.70mol，CO為0.030mol，說明反應(yīng)②生成的H2O(g)為0.03mol，消耗CO2為0.03mol，則反應(yīng)①生成的H2為2.73mol，則反應(yīng)①生成CO2為0.91mol，平衡時的CO2為0.88mol；反應(yīng)①生成H2為2.73mol，生成CO2為0.91mol，則轉(zhuǎn)化的 CH3OH為0.91mol，H2O為0.91mol，故平衡時CH3OH為0.09mol，H2O為1.32mol-0.91mol+0.03mol=0.44mol，H2為2.70mol，CO為0.030mol，CO2為0.88mol，所以甲醇的轉(zhuǎn)化率為=91%；反應(yīng)②為前后氣體系數(shù)之和相等的可逆反應(yīng)，所以計算平衡常數(shù)時可用物質(zhì)的量代替濃度，所以平衡常數(shù)K==5.6×10-3；

(5)甲醇燃料電池甲醇為負極，電極反應(yīng)為：2CH3OH-12e-+6CO32-=8CO2+4H2O，當內(nèi)電路轉(zhuǎn)移1.5mol CO32-時，消耗甲醇為0.5mol，故消甲醇的質(zhì)量是0.5mol×32g/mol=16g；

(6)通入氧氣的一極為正極，結(jié)合負極產(chǎn)生的二氧化碳生成碳酸根，電極方程式為O2+2CO2+4e-=2CO32-。