Question

(10分）利用光能和光催化劑，可將CO₂和H₂O(g)轉化為CH₄和O₂。紫外光照射時，在不同催化劑（I ,II，III)作用下，CH₄的產量隨光照時間的變化如下圖所示。

(1)在O〜30小時內，CH₄的平均生成速率和由大到小的順序為_________；反應開始后的15小時內，在第_________種催化劑的作用下，收集的CH₄最多。

(2) 將所得CH₄與H₂O(g)通入聚焦太陽能反應器，發生反應

CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g) △H=+206kJ·mol^-1。將等物質的量的CH₄和H₂O(g)充入1L恒容密閉容器，某溫度下反應達到平衡，此時測得CO的物質的量為O.10 mol,CH₄的平衡轉化率為91 %，則此溫度下該反應的平衡常數為_________ (計算結果取整數）。

(3)該反應產生的CO和H₂可用來合成可再生能源甲醇，已知CO(g)、CH₃OH⑴的燃燒熱分別為和，則CH₃OH(l)不完全燃燒生成CO(g)和H₂O(l)的熱化學方程式為_________。

(4)工業上常利用反應CO(g)+2H₂(g) CH₃OH (g), △H<0合成甲醇，在230°C〜270°C最為有利。為研究合成氣最合適的起始組成比n(H₂)：n(C0),分別在230°C、250⁰C和270⁰C進行實驗，結果如圖。

①270⁰C的實驗結果所對應的曲線是_________(填字母）；

②230⁰C時，工業生產適宜釆用的合成氣組成n(H₂):n(CO)的比值范圍是_________(填字母）。

A. 1 〜1.5   B. 2. 5〜3  C. 3. 5〜4. 5

(5)某同學以石墨為電極，以KOH溶液為電解質設計甲醇燃料電池，其負極的電極反應式為_________。

 

Answer 1

（10分）（1）v(Ⅰ) > v(Ⅱ) > v(Ⅲ) （1分）  II  （1分）

（2）28 (mol·L^-1)²（2分，不帶單位不扣分，得出27同樣得分）

（3）CH₃OH (l) + O₂(g)= CO(g) + 2H₂O(l)  △H=－443.5 kJ·mol^-1（2分）

（4） ① Z （1分）   ② B （1分）

（5）CH₃OH-6e^-+8OH^- = CO₃^2-+6H₂O（2分）

解析:本題考查化學反應速率的概念、計算及外界條件對反應速率對影響；反應熱的概念和蓋斯定律的計算；熱化學方程式的書寫；與化學平衡有關的計算；圖像的識別和繪制。

（1）由圖像可以看出，反應進行到30小時時，催化劑Ⅲ生成的甲烷最多，其次是催化劑Ⅱ，催化劑Ⅰ生成的甲烷最少。因此V_I、V_II和V_III從大到小的順序為V_III＞V_II＞V_I＞；同理由圖像也可以看出，反應進行到12小時時，催化劑Ⅱ生成的甲烷最多，因此在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多。

（2）設CH₄、H₂O的物質的量均為xmol，則

            CH₄(g) +   H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)

起始量(mol) x           x        0      0

變化量(mol)O.10         O.10    O.10   O.30

平衡量(mol) x-O.10      x- O.10   O.10  O.30

根據題意，轉化率為91%，則91%x=0.1則x=0.11，平衡各物質的濃度分別為0.01mol·L^-1、0.01mol·L^-1、O.10 mol·L^-1、O.30 mol·L^-1，則平衡常數K=c(CO)·c³(H₂)/[c(CH₄)·c(H₂O)]=0.01 mol·L^-1·(O.30 mol·L^-1)³/[(O.10 mol·L^-1)·( O.10 mol·L^-1)]=27(mol·L^-1)²

（3）由熱化學方程式①CO(g)+ 1/2O₂(g)= CO₂(g) △H=-283 kJ•mol^-1

              ②CH₃OH(g)＋3/2O₂(g) ==CO₂(g)＋2H₂O(l)  △H=-726.5kJ•mol^-1

②－①得CH₃OH (l) + O₂(g) = CO(g) + 2H₂O(l) △H=－443.5 kJ·mol^-1

(4)①由于合成甲醇的反應是放熱反應，溫度升高，平衡向逆反應方向移動，CO的轉化率降低，故270⁰C的實驗結果所對應的曲線是Z；②從圖像中230⁰C對應X曲線，n(H₂):n(CO)的比值達到2.5——3范圍，CO的轉化率才達到最大，工業生產適宜釆用的合成氣組成n(H₂):n(CO)的比值范圍選B。

(5)甲醇燃料電池的負極為甲醇被氧化，生成CO₃^2-，故電極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^- = CO₃^2-+6H₂O。