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Co^2＋氧化成Co^3＋，然后以Co^3＋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）①Co^2＋－e^－=Co^3＋    ②6Co^3＋＋CH₃OH＋H₂O=CO₂↑＋6Co^2＋＋6H^＋

（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）Co^2＋在陽極失電子生成Co^3＋。