Question

【題目】甲醇被稱為21世紀的新型燃料，工業上在一定條件下可利用反應I和II來制備：

(1)已知在25°C、101kPa下，1 g甲醇燃燒生成CO2和液態水時放熱22.68 kJ，則表示燃燒熱的熱化學方程式為_______________________。

(2)將1.0 molCH4和2.0 molH2O(g)通入容積為10 L密閉容器中，CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)(I)，CH4的轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示：

①該反應的△H______0，圖中的p1 ____ p2（填“<”、“>”或“=”）

②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________________，該反應的平衡常數為_______(mol·L-1)2

(3)在壓強為0.1MPa條件下，amolCO與3amolH2的混合氣體在催化劑作用下能自發反應生成甲醇：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H<0(Ⅱ)若容器的容積不變，下列措施可增大甲醇產率的是___________（填序號）．

A.升高溫度 B.將CH3OH(g)從體系中分離出來

C.恒容下充入He，使體系的總壓強增大 D.再充入amolCO和3amolH2．

(4)為提高燃燒效率，某燃料電池以甲醇原料，NaOH溶液為電解質，其負極電極反應式為______________

Answer 1

【答案】CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H= -725.76 kJ·mol－1 > < 0.030 molL-1min-1 2.25×10-2 BD CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O

【解析】

(1)結合燃燒熱的概念書寫甲醇燃燒的熱化學方程式；

(2)①根據CH4的平衡轉化率與溫度、壓強的關系分析判斷；

②根據v=計算反應速率，根據化學平衡常數的含義計算K；

(3)平衡正向移動，就可以提高甲醇的產率；

(4)在燃料電池中，通入燃料的電極為負極，負極失去電子發生氧化反應，通入O2或空氣的電極為正極，正極得到電子發生還原反應，結合電解質溶液的酸堿性書寫電極反應式。

(1)甲醇的相對分子質量是32，在25°C、101 kPa下，1 g甲醇燃燒生成CO2和液態水時放熱22.68 kJ，則32 g甲醇完全燃燒放出熱量為Q=22.68 kJ×32=725.76 kJ，所以表示甲醇燃燒熱的熱化學方程式為：CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=-725.76 kJ·mol-1；

(2)①根據圖象可知：在壓強不變時，溫度升高，CH4的平衡轉化率增大，說明升高溫度，化學平衡正向移動。根據平衡移動原理：升高溫度，化學平衡向吸熱反應方向移動，所以該反應的正反應為吸熱反應，故△H>0；該反應的正反應為氣體體積增大的反應，在溫度不變時，增大壓強，化學平衡向氣體體積減小的逆反應方向移動。根據圖象可知，CH4的平衡轉化率：p1>p2，說明壓強：p1<p2；

②將1.0 molCH4和2.0 molH2O(g)通入容積為10 L密閉容器中發生反應：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)，在100℃時達到平衡所需的時間為5 min，甲烷轉化率為0.5，則反應的CH4的濃度為△c(CH4)==0.05 mol/L，△c(H2O)= △c(CO)=△c(CH4)=0.05 mol/L，則△c(H2)=3△c(CH4)=0.15 mol/L，所以v(H2)==0.030 mol/(L·min)；平衡時：c(CH4)=0.05 mol/L，c(H2O)=(2 mol÷10 L)- 0.05 mol/L=0.15 mol/L，c(CO)= 0.05 mol/L，c(H2)= 0.15 mol/L，所以該溫度下該反應的化學平衡常數K==2.25×10-2；

(3)根據方程式CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H<0可知：該反應的正反應為氣體體積減小的放熱反應。

A. 升高溫度，化學平衡向吸熱的逆反應方向移動，甲醇產率降低，A不符合題意； B. 將CH3OH(g)從體系中分離出來，即減小生成物濃度，平衡正向移動，甲醇產率增大，B符合題意；

C. 恒容下充入He，使體系的總壓強增大，平衡混合物中各組分的濃度不變，化學平衡不移動，甲醇產率不變，C不符合題意；

D. 再充入amolCO和3amolH2，由于CO、H2反應的物質的量的比是1:2，所以相當于充入amolCO和2amolH2，反應達到平衡后又加入amolH2。充入amolCO和2amolH2，就是增大體積的壓強，平衡正向移動，產生更多甲醇；反應達到平衡后又加入amolH2，增大H2的濃度，平衡正向移動，又產生甲醇，因此最終達到平衡時，甲醇產率增大，D符合題意；

故合理選項是BD；

(4)為提高燃燒效率，某燃料電池以甲醇原料，NaOH溶液為電解質，在燃料電池中，通入燃料的電極為負極，失去電子，發生氧化反應，由于電解質溶液為堿性，因此燃料甲醇反應產生的CO2與OH-結合形成CO32-，負極電極反應式為CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O。