Question

甲醇可作為燃料電池的原料。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)   △H=+206.0kJ?molˉ¹
II：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)   △H=－129.0kJ?molˉ¹
（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1.0mol CH₄和1.0mol 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℃時達到平衡所需構時間為5min，則用H₂表示該反應的平均反應速率為               。
②100⁰C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a molCO與2a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下發生反應II生成甲醇，平衡后將容器舶容積壓縮到原來的1/2，其他條件不變，對平衡體系產生的影響是             （填字母序號）。

A．平衡常數K增大	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c(H2)/c(CH3OH)減小

（4）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⁺做氧化劑再把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化。若下圖裝置中的電源為甲醇－空氣－KOH溶液的燃料電池，則電池正極的電極反應式：                       ，該電池工作時，溶液中的OHˉ向        極移動。凈化含1mol甲醇的水，燃料電池轉移電子        mol。

Answer 1

（16分）（1）CH₄(g)+ H₂O(g)CH₃OH(g)+H₂(g) △H=+77.0kJ?molˉ¹（3分，焓變寫錯扣1分，用等號不扣分）
（2）0.003mol?Lˉ¹?minˉ¹（2分，單位寫錯0分）  6.75×10ˉ⁴（2分）
（3）C、D(共2分，只答對一個給1分，答錯一個0分)
（4）O₂+2H₂O+4eˉ=4OHˉ或3O₂+6H₂O+12eˉ=12OHˉ（3分，電極反應式沒配平0分）  負（2分）    6（2分）

試題分析：（1）根據蓋斯定律可知，已知反應I+II可得：CH₄(g)+ H₂O(g)= CH₃OH(g)+H₂(g) △H=+77.0kJ?molˉ¹；（2）CH₄的起始濃度為1.0mol÷100L=0.01mol?Lˉ¹，讀圖可知100℃時其平衡轉化率為50%，則CH₄的變化濃度為0.01mol?Lˉ¹×50%=0.005mol?Lˉ¹，則v(CH₄)= 0.005mol?Lˉ¹÷5min=0.001mol?Lˉ¹?minˉ¹，根據系數之比等于速率之比可知，v(H₂)=3×v(CH₄)= 0.003mol?Lˉ¹?minˉ¹；根據變化濃度之比等于系數之比，則反應I：
CH₄(g)  +  H₂O(g)  CO(g)  +  3H₂(g)
起始濃度/ mol?Lˉ¹               0.01       0.01           0         0
變化濃度/ mol?Lˉ¹              0.005       0.005         0.005      0.015
平衡濃度/ mol?Lˉ¹              0.005       0.005         0.005      0.015
K=[c(CO)?c³(H₂)]/[c(CH₄)?c(H₂O)]= [0.005×0.015³]/[ 0.005×0.005]=6.75×10ˉ⁴
（3）反應II是氣態物質體積減小的反應，縮小容器體積，能增大各組分濃度，也能增大壓強，平衡向正反應方向移動，但是平衡常數保持不變，因為溫度不變平衡常數K不變，故A錯誤；同時增大反應物和生成物的濃度，正、逆反應速率均增大，但是v(正)>v(逆)，所以平衡右移，故B錯誤；增大壓強平衡右移，使生成物的量增加，故C正確；增大壓強平衡向正反應方向移動，反應物濃度減小，生成物濃度增大，則重新平衡后反應物濃度/生成物濃度的值減小，故D正確；（4）甲醇完全燃燒生成CO₂和H₂O，CO₂和過量KOH反應生成K₂CO₃和H₂O，則該電池負極的主要反應物和產物分別是CH₃OH、CO₃²ˉ，碳元素由－2價升為+4價，則CH₃OH－6eˉ→CO₃²ˉ，由于KOH是強堿，應該用OHˉ使左右電荷守恒，則CH₃OH－6eˉ+8OHˉ→CO₃²ˉ，根據氫、氧原子個數守恒可得，負極反應式為CH₃OH－6eˉ+8OHˉ=CO₃²ˉ+6H₂O或2CH₃OH－12eˉ+16OHˉ=2CO₃²ˉ+12H₂O；而正極的主要反應物是O₂，同理可推斷正極反應式為O₂+2H₂O+4eˉ=4OHˉ或3O₂+6H₂O+12eˉ=12OHˉ；放電時負極流出電子，正極流入電子，則陰離子移向負極，陽離子移向正極，則溶液中的OHˉ移向負極；根據系數之比等于物質的量之比，則1mol甲醇完全反應失去6mol電子，因此該燃料電池轉移6mol電子。