Question

【題目】甲醇是一種很好的燃料，工業(yè)上用CH4和H2O為原料，通過反應Ⅰ和Ⅱ來制備甲醇。

(1)將1.0 mol CH4和2.0 mol H2O(g)通入反應室(容積為100 L)，在一定條件下發(fā)生反應：

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)……Ⅰ。CH4 的轉化率與溫度、壓強的關系如圖。

①已知100 ℃時達到平衡所需的時間為5 min，則用H2表示的平均反應速率為_______。

②圖中的p1________p2(填“<”“>”或“＝”)。

③該反應的ΔH________0(填“<”“>”或“＝”)。

(2)在壓強為0.1 MPa條件下，a mol CO與 3a mol H2的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應生成甲醇：

CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0……Ⅱ。

①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是________。

A．升高溫度

B．將CH3OH(g)從體系中分離

C．充入He，使體系總壓強增大

D．再充入1 mol CO和3 mol H2

②為了尋找合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，某同學設計了三組實驗，部分實驗條件已經填在下面實驗設計表中。

實驗編號	T(℃)	n(CO)/n(H2)	p(MPa)
1	150	1/3	0.1
2	a	1/3	5
3	350	b	5

A.則上表中剩余的實驗條件數據：a＝________，b＝________。

B．根據反應Ⅱ的特點，如圖是在壓強分別為0.1 MPa和5 MPa下CO的轉化率隨溫度變化的曲線圖，請指明圖中的壓強px＝________MPa。

(3)以甲醇作為燃料制成的燃料電池結構示意圖如圖所示。

關于該電池的敘述正確的是________。

A．當電池反應消耗了1 mol甲醇時，溶液中轉移了12NA個e－

B．電池的負極反應為CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋

C．放電過程中，H＋從正極區(qū)向負極區(qū)遷移

D．在電池反應中，每消耗1 mol氧氣，理論上能生成標準狀況下CO2氣體22.4/3 L

Answer 1

【答案】0.003 0 mol/(L·min)＜>BD1501/30.1B

【解析】

（1）①根據圖知道平衡時甲烷的轉化率，求出△c（CH4），根據v=△c/△t計算v（CH4），利用速率之比等于化學計量數之比計算v（H2）。

②相同溫度下，對反應Ⅰ加壓，平衡左移，CH4的轉化率減小。

③相同壓強下，升高溫度，甲烷的轉化率增大，平衡右移，該反應的正反應為吸熱反應。

（2）①a項，由于反應物的總能量大于生成物的總能量，正反應為放熱反應，升溫，平衡逆向移動；b項，充入He(g)，平衡不移動；c項，將H2O(g)從體系中分離出來，減小生成物濃度，平衡正向移動；d項，體積不變，再充入1mol CO2和3 mol H2，相當于增大壓強的過程，平衡右移。

②研究合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，應該固定兩種因素，研究一種因素的影響，對比實驗1、2中的數據，即研究不同壓強對反應的影響；對比實驗2、3中的數據，即研究不同溫度對反應的影響；根據圖像可知，相同溫度下，py時CO的轉化率大于px時的轉化率，再結合反應方程式的特點，找出壓強pX和pY大小關系，可求出px數值。

（3）根據燃料電池的電池反應可知，甲醇在負極反應，電極反應式為CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，正極反應式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，根據極反應方程式可以計算出反應電子轉移的數目及反應消耗氧氣的體積（標況）；原電池中電解質溶液中陽離子向正極移動，陰離子向負極移動。

(1)①根據圖像，100 ℃達到平衡時CH4的轉化率為50%，則平衡時生成H2的物質的量為1.5mol，v(H2)＝＝0.0030mol/(L·min)；正確答案：0.0030 mol/(L·min)。

②相同溫度下，對反應Ⅰ加壓，平衡左移，CH4的轉化率減小，故p1<p2；正確答案：＜。

③相同壓強下，升高溫度，甲烷的轉化率增大，平衡右移，該反應的正反應為吸熱反應，ΔH>0；正確答案：>。

(2)①反應Ⅱ為氣體體積減小的放熱反應，降溫或加壓都可以增加甲醇的產率，但是在容器容積不變的條件下，充入He，使體系總壓強增大，由于未影響反應體系中各物質的濃度，平衡不移動，A、C不能增加甲醇的產率；將CH3OH(g)從體系中分離，平衡右移；容器容積不變的條件下，再充入1molCO和3molH2相當于加壓，平衡右移，故B、D兩選項的措施可以增加甲醇的產率；正確選項BD。

②研究合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，應該固定兩種因素，研究一種因素的影響，對比實驗1、2中的數據可知，a＝150，即研究不同壓強對反應的影響；對比實驗2、3中的數據可知，b＝1/3，即研究不同溫度對反應的影響。相同溫度下，py時CO的轉化率大于px時的轉化率，再結合反應方程式的特點，可知px<py，則px＝0.1MPa；正確答案：150；1/3； 0.1。

(3)根據燃料電池的電池反應可知，甲醇在負極反應，電極反應式為CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，正極反應式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B項正確；當電池反應消耗了2 mol甲醇時，電路中轉移了12NA個e－，A項錯誤；放電過程中，H＋從負極區(qū)向正極區(qū)遷移，C項錯誤；由電子守恒，每消耗1mol氧氣，理論上能生成標準狀況下CO2氣體44.8/3L，D項錯誤；正確選項B。