Question

5．2016年9月．“喬歌里1號”中國首臺靜默移動發(fā)電站MFC30正式問世，MFC30是基于甲醇重整制氫燃料電池發(fā)電技術．
（1）甲醇制氫方式主要有以下三種：
反應Ⅰ甲醇水蒸氣重整制氫：
CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
反應Ⅱ甲醇分解制氫：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.6kJ/mol
反應Ⅲ氣態(tài)甲醇氧化重整制氫同時生成二氧化碳和氫氣：
①已知CO的燃燒熱為283.0kJ/mol，則反應Ⅲ的熱化學方程式為CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=-192.4 kJ/mol
②該三種制氫方式中，等量的甲醇產生氫氣最多的是反應Ⅰ（填“Ⅰ”、“Ⅱ”、“Ⅲ”）．
（2）實驗室模擬反應Ⅰ甲醇水蒸氣重整制氫過程，合成器組成n（CH₃OH）：n（H₂O）=1：1時，體系中甲醇的平衡轉化率與溫度和壓強的關系如圖所示．
①該反應的平衡常數表達式為$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}$．
②當溫度為250℃、壓強為P₂時，反應達平衡時H₂的體積分數為67.6%．
③圖中的壓強由小到大的順序是P₁＜P₂＜P₃．
（3）MFC30燃料電池是以氫為燃料，Li₂CO₃與K₂CO₃混合的碳酸鹽為電解質的高溫型燃料電池，其負極的電極反應式為H₂+2e^-+CO₃^2-=H₂O+CO₂，正極上通入的氣體為O₂（或空氣）、CO₂．

Answer 1

分析 （1）①Ⅰ．CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
Ⅱ．CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.6kJ/mol
Ⅲ．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=-283.0kJ/mol，
結合蓋斯定律計算，Ⅱ+Ⅲ得到所需熱化學方程式；
②反應化學方程式定量關系計算得到；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
①平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；
②當溫度為250℃、壓強為P₂時，圖象中甲醇轉化率為82%，結合化學平衡三行計算得到；
③溫度一定，壓強越大平衡逆向進行，甲醇轉化率減小，據此分析；
（3）該原電池為氫氣燃料電池，通入燃料的電極為負極、通入氧化劑的電極為正極，負極是氫氣，正極為氧氣，據此分析解答．

解答 解：（1）①a．CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol
b．CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.6kJ/mol
c．CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₃=-283.0kJ/mol，
結合蓋斯定律計算，b+c得到反應Ⅲ的熱化學方程式：CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=-192.4 kJ/mol，
故答案為：CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）+2H₂（g）△H=-192.4 kJ/mol；
②反應Ⅰ1mol甲醇反應生成3mol氫氣，反應Ⅱ中1mol甲醇反應生成2mol氫氣，反應Ⅲ中1mol甲醇反應生成2mol氫氣，則等量的甲醇產生氫氣最多的是反應Ⅰ，
故答案為：Ⅰ；
（2）①CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₁=+49.4kJ/mol，反應的平衡常數K=$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}$，
故答案為：$\frac{c（C{O}_{2}）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}$；
②當溫度為250℃、壓強為P₂時，圖象中甲醇轉化率為82%，合成器組成n（CH₃OH）：n（H₂O）=1：1時設為m，
                         CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）
起始量（mol）       m                m                 0              0
變化量（mol）   82%m            82%m            82%m        3×82%m
平衡量（mol）   18%m            18%m            82%m       3×82%m
反應達平衡時H₂的體積分數=$\frac{3×82%m}{18%m+18%m+82%m+3×82%m}$×100%=67.6%，
故答案為：67.6%；
③溫度一定，壓強越大平衡逆向進行，甲醇轉化率減小，P₁＜P₂＜P₃，
故答案為：P₁＜P₂＜P₃；
（3）燃料電池是以氫為燃料，Li₂CO₃與K₂CO₃混合的碳酸鹽為電解質的高溫型燃料電池，燃料在負極發(fā)生氧化反應，電極反應H₂+2e^-+CO₃^2-=H₂O+CO₂，正極是通入氧氣、二氧化碳發(fā)生還原反應，
故答案為：H₂+2e^-+CO₃^2-=H₂O+CO₂；O₂（或空氣）、CO₂．

點評 本題考查了熱化學方程式書寫和蓋斯定律的計算應用、化學平衡計算、影響平衡因素分析判斷、原電池原理和電極反應書寫，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．