Question

【題目】(1)甲烷重整是先進的制氫方法，包含甲烷氧化和蒸汽重整。向反應系統同時通入甲烷、氧氣和水蒸氣，發生的主要化學反應有：

反應過程	化學方程式	焓變ΔH(kJ·mol－1)
甲烷 氧化	CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)	ΔH1
	CH4(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2(g)	-322.0
蒸汽 重整	CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)	+206.2
	CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)	+165.0

①反應CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)的ΔH=________kJ·mol－1。

②甲烷的燃燒熱為ΔH2，則ΔH2________ΔH1(填“>”“＝”或“<”)。

(2)二氧化碳是地球溫室效應的罪魁禍首，目前人們處理二氧化碳的方法之一是使其與氫氣合成為甲醇，甲醇是汽車燃料電池的重要燃料。已知氫氣、甲醇燃燒的熱化學方程式：

2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)　ΔH=-570 kJ·mol－1　①

CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-726.0 kJ·mol－1�、�

寫出二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學方程式：___________。

(3)有科技工作者利用稀土金屬氧化物作為固體電解質制造出了甲醇空氣燃料電池。這種稀土金屬氧化物在高溫下能傳導O2-。

①這個電池的正極發生的反應是_______；負極發生的反應是________。

②在稀土氧化物的固體電解質中，O2-的移動方向是________。

Answer 1

【答案】-41.2 < CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l)　 ΔH=-129kJ/mol O2+4e-=2O2- CH3OH+3O2--6e-=CO2↑+2H2O 正極移向負極

【解析】

(1)根據蓋斯定律，由蒸汽重整的兩個反應方程式疊加，就可得到待求的熱反應方程式。反應物能量相等，生成物含有的能量越多，反應放出的熱量就越少。

(2)將兩個熱化學方程式疊加，可得二氧化碳與氫氣合成甲醇液體的熱化學方程式；

(3)①燃料電池中依據原電池工作原理，正極是氧氣得到電子發生還原反應，電解質是固體，氧氣得到電子生成氧離子；甲醇在負極失電子，發生氧化反應生成二氧化碳；

②原電池中陰離子移向負極。

(1)由蒸汽重整的兩個反應

①CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)，ΔH=+206.2kJ/mol

②CH4(g)+2H2O(g)=CO2(g)+4H2(g)，ΔH=+165.0kJ/mol

根據蓋斯定律②-①，整理可得反應：CO(g)+H2O(g)=CO2(g)+H2(g)，△H=165.0kJ/mol-206.2kJ/mol=-41.2kJ/mol；

甲烷的燃燒熱是1mol甲烷完全燃燒產生CO2氣體和液態水時放出的熱量，由于等質量的氣態水含有的能量比液態水多，所以1mol甲烷反應產生液態水放出是熱量比產生氣態水放熱多，反應放出的熱量越多，反應熱就越小，因此ΔH2＜ΔH1；

(2)①2H2(g)+O2(g)=2H2O(l)　ΔH=-570 kJ·mol－1

②CH3OH(l)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l)　ΔH=-726.0 kJ·mol－1

根據蓋斯定律①×-②，整理可得CO2(g)+3H2(g)=CH3OH(l)+H2O(l) ΔH=-129kJ/mol；

(3)①甲醇一空氣燃料電池中，氧氣在正極上得到電子，發生還原反應生成O2-，電極反應為：O2+4e-=2O2-；甲醇在負極失電子發生氧化反應，電極反應為：CH3OH+3O2--6e-=CO2↑+2H2O；

②依據電極反應分析可知原電池中陰離子移向負極，O2-從正極流向負極移動。