Question

能源問題是人類社會面臨的重大課題，甲醇是未來重要的綠色能源之一。以CH4和H2O為原料，通過下列反應來制備甲醇。

Ⅰ.CH4（g）＋H2O（g）=CO（g）＋3H2（g）ΔH＝＋206.0 kJ/mol

Ⅱ.CO（g）＋2H2（g）=CH3OH（g）ΔH＝－129.0 kJ/mol

（1）CH4（g）與H2O（g）反應生成CH3OH（g）和H2（g）的熱化學方程式為_____。

（2）將1.0 mol CH4和2.0 mol H2O（g）通入容積為100 L的反應室，在一定條件下發生反應Ⅰ，測得在一定的壓強下CH4的轉化率與溫度的關系如圖。

①假設100 ℃時達到平衡所需的時間為5 min，則用H2表示該反應的平均反應速率為________；

②100 ℃時反應Ⅰ的平衡常數為________。

（3）在壓強為0.1 MPa、溫度為300 ℃條件下，將1.0 mol CO與2.0 mol H2的混合氣體在催化劑作用下發生反應Ⅱ生成甲醇，平衡后將容器的容積壓縮到原來的，其他條件不變，對平衡體系產生的影響是________（填字母序號）。

A．c（H2）減小

B．正反應速率加快，逆反應速率減慢

C．CH3OH的物質的量增加

D．重新平衡時減小

E．平衡常數K增大

（4）工業上利用甲醇制備氫氣的常用方法有甲醇蒸氣重整法。該法中的一個主要反應為CH3OH（g）CO（g）＋2H2（g），此反應能自發進行的原因是：___。

（5）甲醇對水質會造成一定的污染，有一種電化學法可消除這種污染，其原理是：通電后，將Co2＋氧化成Co3＋，然后以Co3＋做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO2而凈化。實驗室用下圖裝置模擬上述過程：

①寫出陽極電極反應式_______________；

②寫出除去甲醇的離子方程式___________________。

 

Answer 1

（1）CH4（g）＋H2O（g）CH3OH（g）＋H2（g）ΔH＝＋77.0 kJ·mol－1

（2）①0.0024 mol·L－1·min－1　②7.2×10－5

（3）CD

（4）該反應是一個熵增的反應（ΔS＞0）

（5）①Co2＋－e－=Co3＋ ②6Co3＋＋CH3OH＋H2O=CO2↑＋6Co2＋＋6H＋

【解析】（1）根據蓋斯定律，將兩個已知的熱化學方程式相加可得：CH4（g）＋H2O（g）=CH3OH（g）＋H2（g）　ΔH＝＋77.0 kJ·mol－1。

（2）v（H2）＝3v（CH4）＝3×＝0．0024 mol·L－1·min－1。根據三段式：

CH4（g）＋H2O（g） CO（g）＋3H2（g）

起始（mol/L）　0.01　 0.02　　　　0　　　　0

轉化（mol/L）　0.004　 0.004　　0.004　　0.012

平衡（mol/L）　0.006　 0.016　　0.004　　0.012

則平衡常數：K＝＝7.2×10－5。

（3）增大壓強，平衡向正反應方向移動，C、D項正確；但移動的結果不會抵消條件的改變，故c（H2）仍然增大，A項錯誤；增大壓強正逆反應速率均增大，B項錯誤；平衡常數只與溫度有關，溫度不變平衡常數不變，E項錯誤。

（5）Co2＋在陽極失電子生成Co3＋。