Question

【題目】甲醇是一種很好的燃料，工業(yè)上用CH4和H2O為原料，通過(guò)反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ來(lái)制備甲醇。

(1)將1.0 mol CH4和2.0 mol H2O(g)通入反應(yīng)室(容積為100 L)，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)……Ⅰ。CH4 的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖。

①已知100 ℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5 min，則用H2表示的平均反應(yīng)速率為_______。

②圖中的p1________p2(填“<”“>”或“＝”)。

③該反應(yīng)的ΔH________0(填“<”“>”或“＝”)。

(2)在壓強(qiáng)為0.1 MPa條件下，a mol CO與 3a mol H2的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇：

CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)　ΔH<0……Ⅱ。

①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是________。

A．升高溫度

B．將CH3OH(g)從體系中分離

C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大

D．再充入1 mol CO和3 mol H2

②為了尋找合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中。

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T(℃)	n(CO)/n(H2)	p(MPa)
1	150	1/3	0.1
2	a	1/3	5
3	350	b	5

A.則上表中剩余的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)：a＝________，b＝________。

B．根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點(diǎn)，如圖是在壓強(qiáng)分別為0.1 MPa和5 MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線圖，請(qǐng)指明圖中的壓強(qiáng)px＝________MPa。

(3)以甲醇作為燃料制成的燃料電池結(jié)構(gòu)示意圖如圖所示。

關(guān)于該電池的敘述正確的是________。

A．當(dāng)電池反應(yīng)消耗了1 mol甲醇時(shí)，溶液中轉(zhuǎn)移了12NA個(gè)e－

B．電池的負(fù)極反應(yīng)為CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋

C．放電過(guò)程中，H＋從正極區(qū)向負(fù)極區(qū)遷移

D．在電池反應(yīng)中，每消耗1 mol氧氣，理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體22.4/3 L

Answer 1

【答案】0.003 0 mol/(L·min)＜>BD1501/30.1B

【解析】

（1）①根據(jù)圖知道平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率，求出△c（CH4），根據(jù)v=△c/△t計(jì)算v（CH4），利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H2）。

②相同溫度下，對(duì)反應(yīng)Ⅰ加壓，平衡左移，CH4的轉(zhuǎn)化率減小。

③相同壓強(qiáng)下，升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，平衡右移，該反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)。

（2）①a項(xiàng)，由于反應(yīng)物的總能量大于生成物的總能量，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升溫，平衡逆向移動(dòng)；b項(xiàng)，充入He(g)，平衡不移動(dòng)；c項(xiàng)，將H2O(g)從體系中分離出來(lái)，減小生成物濃度，平衡正向移動(dòng)；d項(xiàng)，體積不變，再充入1mol CO2和3 mol H2，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)的過(guò)程，平衡右移。

②研究合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，應(yīng)該固定兩種因素，研究一種因素的影響，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、2中的數(shù)據(jù)，即研究不同壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)的影響；對(duì)比實(shí)驗(yàn)2、3中的數(shù)據(jù)，即研究不同溫度對(duì)反應(yīng)的影響；根據(jù)圖像可知，相同溫度下，py時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率大于px時(shí)的轉(zhuǎn)化率，再結(jié)合反應(yīng)方程式的特點(diǎn)，找出壓強(qiáng)pX和pY大小關(guān)系，可求出px數(shù)值。

（3）根據(jù)燃料電池的電池反應(yīng)可知，甲醇在負(fù)極反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，正極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，根據(jù)極反應(yīng)方程式可以計(jì)算出反應(yīng)電子轉(zhuǎn)移的數(shù)目及反應(yīng)消耗氧氣的體積（標(biāo)況）；原電池中電解質(zhì)溶液中陽(yáng)離子向正極移動(dòng)，陰離子向負(fù)極移動(dòng)。

(1)①根據(jù)圖像，100 ℃達(dá)到平衡時(shí)CH4的轉(zhuǎn)化率為50%，則平衡時(shí)生成H2的物質(zhì)的量為1.5mol，v(H2)＝＝0.0030mol/(L·min)；正確答案：0.0030 mol/(L·min)。

②相同溫度下，對(duì)反應(yīng)Ⅰ加壓，平衡左移，CH4的轉(zhuǎn)化率減小，故p1<p2；正確答案：＜。

③相同壓強(qiáng)下，升高溫度，甲烷的轉(zhuǎn)化率增大，平衡右移，該反應(yīng)的正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，ΔH>0；正確答案：>。

(2)①反應(yīng)Ⅱ?yàn)闅怏w體積減小的放熱反應(yīng)，降溫或加壓都可以增加甲醇的產(chǎn)率，但是在容器容積不變的條件下，充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，由于未影響反應(yīng)體系中各物質(zhì)的濃度，平衡不移動(dòng)，A、C不能增加甲醇的產(chǎn)率；將CH3OH(g)從體系中分離，平衡右移；容器容積不變的條件下，再充入1molCO和3molH2相當(dāng)于加壓，平衡右移，故B、D兩選項(xiàng)的措施可以增加甲醇的產(chǎn)率；正確選項(xiàng)BD。

②研究合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，應(yīng)該固定兩種因素，研究一種因素的影響，對(duì)比實(shí)驗(yàn)1、2中的數(shù)據(jù)可知，a＝150，即研究不同壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)的影響；對(duì)比實(shí)驗(yàn)2、3中的數(shù)據(jù)可知，b＝1/3，即研究不同溫度對(duì)反應(yīng)的影響。相同溫度下，py時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率大于px時(shí)的轉(zhuǎn)化率，再結(jié)合反應(yīng)方程式的特點(diǎn)，可知px<py，則px＝0.1MPa；正確答案：150；1/3； 0.1。

(3)根據(jù)燃料電池的電池反應(yīng)可知，甲醇在負(fù)極反應(yīng)，電極反應(yīng)式為CH3OH＋H2O－6e－===CO2↑＋6H＋，正極反應(yīng)式為O2＋4e－＋4H＋===2H2O，B項(xiàng)正確；當(dāng)電池反應(yīng)消耗了2 mol甲醇時(shí)，電路中轉(zhuǎn)移了12NA個(gè)e－，A項(xiàng)錯(cuò)誤；放電過(guò)程中，H＋從負(fù)極區(qū)向正極區(qū)遷移，C項(xiàng)錯(cuò)誤；由電子守恒，每消耗1mol氧氣，理論上能生成標(biāo)準(zhǔn)狀況下CO2氣體44.8/3L，D項(xiàng)錯(cuò)誤；正確選項(xiàng)B。