Question

I．甲醇是一種優(yōu)質(zhì)燃料，可制作燃料電池。工業(yè)上可用下列兩種反應(yīng)制備甲醇：

已知：CO(g) + 2H₂(g)  CH₃OH(g)   ΔH₁

CO₂(g) ＋ 3H₂(g)  CH₃OH(g)  +  H₂O(g)   ΔH₂   

2H₂(g)+ O₂(g)=2H₂O(g)   ΔH₃

則2CO(g)＋O₂(g)=2CO₂(g) 的反應(yīng)熱ΔH=____  ___（用ΔH₁、ΔH₂、ΔH₃表示）。

II．工業(yè)上可利用“甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)氫氣”，反應(yīng)為：CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)。

已知溫度、壓強(qiáng)和水碳比[n(H₂O)/ n(CH₄)]對甲烷平衡含量的影響如下圖：

圖1（水碳比為3）                         圖2（800℃）

（1）溫度對該反應(yīng)的反應(yīng)速率和平衡移動的影響是                             。

（2）其他條件不變，請?jiān)趫D2中畫出壓強(qiáng)為2 MPa時，CH₄平衡含量與水碳比之間關(guān)系曲線。（只要求畫出大致的變化曲線）

（3）已知：在700℃，1MPa時，1mol CH₄與1mol H₂O在1L的密閉容器中反應(yīng)，6分鐘達(dá)到平衡，此時CH₄的轉(zhuǎn)化率為80%，求這6分鐘H₂的平均反應(yīng)速率和該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)是多少？（寫出計算過程，結(jié)果保留小數(shù)點(diǎn)后一位數(shù)字。） 

III．某實(shí)驗(yàn)小組設(shè)計如圖a所示的電池裝置，正極的電極反應(yīng)式為____                      ____。

 

Answer 1

【答案】

（16分）

I．2ΔH₁－2ΔH₂+ΔH₃（3分）

II．（1）其他條件不變，升高溫度，反應(yīng)速率加快，平衡向正反應(yīng)方向移動。（或描述降溫的變化，3分）

（2）如下圖（2分）（形狀1分，標(biāo)注1分）

（3）計算過程為：（格式2分，速率1分，常數(shù)2分，共5分）

CH₄(g)+H₂O(g)     CO(g)+3H₂(g) 

起始濃度（mol/L） 1      1              0      0

變化濃度（mol/L）0.8     0.8            0.8     2.4

平衡濃度（mol/L）0.2     0.2            0.8     2.4

  

（平衡常數(shù)沒寫單位不扣分）

III．O₂ + 2H₂O + 4e^－=4OH^－（3分）

【解析】

試題分析：I．先將4個熱化學(xué)方程式依次編號為①②③④，再觀察、比較后可得：①×2—②×2+③=④，由蓋斯定律可知，④的焓變=①的焓變×2—②的焓變×2+③的焓變=2ΔH₁－2ΔH₂+ΔH₃；II．（1）先讀圖1，發(fā)現(xiàn)在1Mpa或2Mpa、600℃～1000℃時，隨著溫度的升高，甲烷平衡含量均逐漸減小，說明平衡向正反應(yīng)方向移動；再根據(jù)溫度對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡的影響規(guī)律，當(dāng)其他條件不變時，升高溫度，反應(yīng)速率加快，平衡向吸熱反應(yīng)方向或正反應(yīng)方向移動，則甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)；（2）畫圖要點(diǎn)：①甲烷蒸氣轉(zhuǎn)化為氫氣的正反應(yīng)是氣體體積增大的反應(yīng)，當(dāng)溫度和水碳比保持不變時，增大壓強(qiáng)，平衡向氣體體積減小方向或逆反應(yīng)方向移動，則甲烷平衡含量增大，因此2MPa時甲烷平衡含量與水碳比之間關(guān)系曲線一定高于1MPa時甲烷平衡含量與水碳比之間關(guān)系曲線；②當(dāng)溫度和壓強(qiáng)保持不變時，隨著水碳比的增大，甲烷平衡含量逐漸減��；（3）依題意可知該可逆反應(yīng)中各組分起始、變化、平衡濃度，則：

CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g) 

起始濃度（mol/L）    1      1        0      0

變化濃度（mol/L）   0.8     0.8      0.8     2.4

平衡濃度（mol/L）   0.2     0.2      0.8     2.4

根據(jù)平均反應(yīng)速率的定義式，v(H₂)===0.4mol/(L•min)

根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的定義式，K==mol²/L²≈276.5 mol²/L²

III．甲醇燃料電池中正極的主要反應(yīng)物為氧氣，氧元素由0降為—2價，則1個氧氣分子得到4個電子，在KOH溶液中只能用氫氧根離子使反應(yīng)物和產(chǎn)物的電荷守恒，則O₂+4e^－→4OH^－；左邊比右邊少4個H、2個O原子，根據(jù)氫、氧原子個數(shù)守恒可知反應(yīng)物中還有2H₂O，則正極反應(yīng)式為O₂ +4e^－+2H₂O =4OH^－。

考點(diǎn)：考查化學(xué)反應(yīng)原理，涉及根據(jù)蓋斯定律求焓變、根據(jù)化學(xué)平衡圖像得出溫度對反應(yīng)速率和平衡移動的影響規(guī)律、根據(jù)壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響規(guī)律畫出圖像、根據(jù)各組分（起始、變化、平衡）濃度模型法計算平均反應(yīng)速率和平衡常數(shù)、堿性甲醇-空氣燃料電池的正極反應(yīng)式等。