Question

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(yīng)反應(yīng)來制備甲醇．
（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)Ⅰ：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），測(cè)得在一定的壓強(qiáng)下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖1．
①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為

 

．
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為

 

．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將a mol CO與3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)Ⅱ：CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g），平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，其他條件不變，對(duì)平衡體系產(chǎn)生的影響是

 

 （填字母序號(hào)）．
A．c （ H₂ ）減少                 
B．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率減慢
C．CH₃OH 的物質(zhì)的量增加         
D．重新平衡

c(H2)

c(CH3OH)

減小
E．平衡常數(shù)K增大
（3）工業(yè)上利用甲醇制備氫氣的常用方法有：甲醇部分氧化法．在一定溫度下以Ag/CeO₂-ZnO為催化劑時(shí)原料氣比例對(duì)反應(yīng)的選擇性（選擇性越大，表示生成的該物質(zhì)越多）影響關(guān)系如圖所示．則當(dāng)

n(O2)

n(CH3OH)

=0.25時(shí)，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)方程式為

 

；
（4）甲醇對(duì)水質(zhì)會(huì)造成一定的污染，有一種電化學(xué)法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，Co³⁺做氧化劑消除水中的甲醇．實(shí)驗(yàn)室用右圖裝置模擬上述過程：
①寫出陽極電極反應(yīng)式

 

．
②寫出除去甲醇的離子方程式

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)電源新型電池,化學(xué)平衡常數(shù)的含義

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）100℃時(shí)達(dá)到平衡時(shí)，甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量，
①根據(jù)v=

△n V

△t

，計(jì)算v（H₂）
②計(jì)算平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；
（2）其他條件不變，平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，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(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，據(jù)此分析解答；
（3）當(dāng)n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25時(shí)，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)為甲醇的催化氧化生成甲醛；
（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(yīng)，電極反應(yīng)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⁺；
③負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲醇在負(fù)極失去電子，堿性條件下生成碳酸根與水；利用電池反應(yīng)方程式2CH₃OH+3O₂+4KOH═2K₂CO₃+6H₂0分析．

解答： 解：（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)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(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，故答案為：0.003 mol?L^-1?min^-1；
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.050mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，
平衡常數(shù)K=

0.005×0.0153

0.005×0.015

=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
（2）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的

1

2

，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，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(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，故A錯(cuò)誤；
B．壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，故B錯(cuò)誤；
C．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CH₃OH 的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，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

c(H2)

c(CH3OH)

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(cuò)誤，
故答案為：CD；
（3）則當(dāng)

n(O2)

n(CH3OH)

=0.25時(shí)，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)為甲醇的催化氧化生成甲醛，反應(yīng)的方程式為：2CH₃OH+O₂→2HCHO+2H₂O，故答案為：2CH₃OH+O₂→2HCHO+2H₂O；
（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(yīng)，電極反應(yīng)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(diǎn)評(píng)：本題考查化學(xué)平衡圖象、影響化學(xué)平衡因素、平衡常數(shù)與原電池等，掌握基礎(chǔ)是解本題的關(guān)鍵，題目難度中等．