Question

17．甲醇是未來(lái)重要的綠色能源之一，以CH₄和H₂O為原料，通過(guò)下列反應(yīng)來(lái)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H₂（g）反應(yīng)生成CH₃OH（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，此反應(yīng)采用和條件為b．（從下列選項(xiàng)中選填編號(hào)）
a．高溫、高壓  b．高溫、常壓 c．常溫、常壓  d．常溫、高壓
（2）將CH₄和H₂O（g）通入一定容積的密閉容器中，在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，測(cè)得各物質(zhì)的濃度變化如圖1（部分物質(zhì)未畫(huà)出）

①t₁時(shí)刻達(dá)到平衡時(shí)，c（CH₃OH）=0.1mol/L；
②此條件下反應(yīng)Ⅰ的平衡常數(shù)為0.027（結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后3位）；
③若t₂時(shí)刻改變某一條件，各物質(zhì)的濃度變化如圖所示，則改變的條件可能為：降低溫度或冷凝液化分離出甲醇（任答出一種合理的改變即可）
（3）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⁺，然后以Co³⁺作氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化，實(shí)驗(yàn)室用如圖2模擬上述過(guò)程：
①寫(xiě)出陽(yáng)極電極反應(yīng)式Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②寫(xiě)出除去甲醇的離子方程式6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）由蓋斯定律可知①-②得到CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CH₃OH（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式，反應(yīng)前后氣體體積不變，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，使反應(yīng)正向進(jìn)行的適宜條件是高溫常壓；
（2）①圖象中縱軸上每個(gè)單位為0.1mol/L，起始量c（H₂O）=1.0mol/L，c（CH₄）=0.5mol/L，t₁平衡狀態(tài)下c（H₂O）=0.8mol/L，c（CH₄）=0.3mol/L，c（CO）=0.1mol/L，結(jié)合化學(xué)方程式計(jì)算平衡濃度；
②平衡常數(shù)K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積}$；
③若t₂時(shí)刻改變某一條件，甲烷、水蒸氣濃度減小，一氧化碳濃度增大，說(shuō)明平衡正向進(jìn)行，結(jié)合影響平衡因素和反應(yīng)特征，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，分離生成物、降低溫度平衡正向進(jìn)行；
（3）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽(yáng)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(shū)寫(xiě)為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．

解答 解：（1）已知①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol，②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol，由蓋斯定律可知①-②得到CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CH₃OH（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol，反應(yīng)前后氣體體積不變，反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，使反應(yīng)正向進(jìn)行的適宜條件是高溫常壓，增大壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率增大，但平衡不動(dòng)不能增加生成物產(chǎn)率，故選b；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0kJ/mol；b；
（2）①將CH₄和H₂O（g）通入一定容積的密閉容器中，在一定溫度下發(fā)生反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，圖象中縱軸上每個(gè)單位為0.1mol/L，起始量c（H₂O）=1.0mol/L，c（CH₄）=0.5mol/L，t₁平衡狀態(tài)下c（H₂O）=0.8mol/L，c（CH₄）=0.3mol/L，c（CO）=0.1mol/L，
Ⅰ、CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0KJ/mol
起始量（mol/L） 0.5     1         0      0
變化量（mol/L） 0.2     0.2      0.2     0.6 
平衡量（mol/L） 0.3     0.8      0.2     0.6
Ⅱ、CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0KJ/mol
起始量（mol/L） 0.2     0.6         0    
變化量（mol/L） 0.1     0.2        0.1     
平衡量（mol/L） 0.1      0.4       0.1
所以平衡狀態(tài)甲醇濃度為0.1mol/L，
故答案為：0.1；
②結(jié)合上述計(jì)算得到平衡狀態(tài)下物質(zhì)的平衡濃度，所以反應(yīng)Ⅰ平衡常數(shù)K=$\frac{0.1×0．{4}^{3}}{0.3×0.8}$=0.027，
故答案為：0.027；
③分析圖象可知，t₂時(shí)刻改變某一條件，甲烷、水蒸氣濃度減小，一氧化碳濃度增大，說(shuō)明平衡正向進(jìn)行，結(jié)合影響平衡因素和反應(yīng)特征，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，分離生成物、降低溫度平衡正向進(jìn)行；
故答案為：降低溫度或冷凝液化分離出甲醇；
（3）①通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，電解池中陽(yáng)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(shū)寫(xiě)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) 本題考查了熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)，蓋斯定律的應(yīng)用，原電池和電解池原理的綜合應(yīng)用，化學(xué)平衡的影響因素分析，反應(yīng)速率的計(jì)算，離子方程式的書(shū)寫(xiě)，題目綜合性大，難度中等