Question

【題目】中國(guó)首臺(tái)靜默移動(dòng)發(fā)電站MFC30 正式問(wèn)世，MFC30 是基于甲醇重整制氫燃料電池發(fā)電技術(shù)。已知甲醇制氫方式主要有以下三種：

方法Ⅰ甲醇水蒸氣重整制氫：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) ΔH1= +49.4kJ/mol

方法Ⅱ甲醇氧化重整制氫: CH3OH(g)+O2(g)CO2(g)+ 2H2(g) ΔH2=-192.4 kJ/mol

方法Ⅲ甲醇分解制氫：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH3

（1）已知CO 的燃燒熱△H=-283.0kJ/mol，請(qǐng)結(jié)合方法Ⅱ的熱化學(xué)方程式計(jì)算△H3=__________，該反應(yīng)在_________條件(“高溫”，“低溫”或“任意溫度”下自發(fā)進(jìn)行。

（2）實(shí)驗(yàn)室模擬方法Ⅰ制氫，當(dāng)合成氣組成n(CH3OH)∶n(H2O)=1∶1時(shí)，體系中甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度和壓強(qiáng)的關(guān)系如圖甲所示。

①溫度為250℃、壓強(qiáng)為P2時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)H2的體積分?jǐn)?shù)為______________________；

②圖中的壓強(qiáng)由小到大的順序是___________________，理由是_________________________________。

（3）方法Ⅲ制H2的能量變化曲線如圖乙所示。圖中由曲線a變化到曲線b應(yīng)采取的措施是_____________________。恒溫恒容時(shí)，下列選項(xiàng)能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是___________。

a.v正(CO)=2v逆(H2) b.體系的平均摩爾質(zhì)量不再改變

c.H2的濃度保持不變 d. △H不再改變

（4）甲醇會(huì)對(duì)水質(zhì)造成一定的污染，有一種電化學(xué)方法可以消除這種污染，原理是在通電的條件下將酸性溶液中的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。請(qǐng)寫(xiě)出Co3+去除甲醇的離子方程式______________________________。

（5）MFC30 燃料電池是以氫氣為燃料、熔融Li2CO3與K2CO3混合物為電解質(zhì)的高溫型燃料電池，其負(fù)極的電極反應(yīng)式為_________________________________。

Answer 1

【答案】 +90.6kJ/mol 高溫 66.7%或2/3 P1<P2<P3 此反應(yīng)為氣體分子數(shù)目增大的反應(yīng)，在相同溫度下，增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，甲醇的轉(zhuǎn)化率減小 加入正催化劑 bc 6Co3++CH3OH+H2O=6Co2++6H++CO2↑ H2-2e-+CO32-=H2O+CO2

【解析】（1）CO 的燃燒熱△H=-283.0kJ/mol，即CO(g) + O2(g)CO2(g) △H=-283.0kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，可得ΔH3=-192.4 kJ/mol-(-283.0kJ/mol)= +90.6kJ/mol；結(jié)合吉普斯自由能ΔG=ΔH-T×ΔS<0時(shí)，該反應(yīng)能自發(fā)，反應(yīng)CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)屬于熵增大的反應(yīng)，故在高溫下能自發(fā)進(jìn)行；

（2）① CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

起始n/mol n n 0 0

變化n/mol 0.8n 0.8n 0.8n 2.4n

平衡n/mol 0.2n 0.2n 0.8n 2.4n

反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)H2的體積分?jǐn)?shù)為==66.7%；②反應(yīng)CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2為氣體分子數(shù)目增大的反應(yīng)，在相同溫度下，增大壓強(qiáng)，平衡逆向移動(dòng)，甲醇的轉(zhuǎn)化率減小，故P1＜P2＜P3；（3）由圖乙可知，b的活化能低于a的活化能，故由曲線a變化到曲線b應(yīng)采取的措施是加入正催化劑；根據(jù)反應(yīng)CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)可知，2v正(CO)= v逆(H2)，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，a項(xiàng)錯(cuò)誤；，因參與反應(yīng)的均為氣體，反應(yīng)前后m不變、n變化，故體系的平均摩爾質(zhì)量不再改變說(shuō)明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，b項(xiàng)正確；H2的濃度保持不變說(shuō)明反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到平衡，c項(xiàng)正確；焓變是與化學(xué)反應(yīng)的起始狀態(tài)、終止?fàn)顟B(tài)有關(guān)，與物質(zhì)所處環(huán)境的壓強(qiáng)、溫度等因素有關(guān)，與化學(xué)反應(yīng)的過(guò)程無(wú)關(guān)，d項(xiàng)錯(cuò)誤。（4）Co3+把水中的甲醇氧化成CO2，而自身被還原Co2+，其離子方程式：6Co3++CH3OH+H2O=6Co2++6H++CO2↑；（5）燃料在燃料電池的負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，其電極反應(yīng)式為H2-2e-+CO32-=H2O+CO2。