Question

甲醇被稱為2l世紀(jì)的新型燃料，工業(yè)上通過下列反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，來制備甲醇．
（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應(yīng)室（容積為100L），
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)系如圖所示：
①已知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率為

 

．
②圖中的P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”），
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa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）
③該反應(yīng)的△H

 

0，（填“＜”、“＞”或“=”）．
④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1mol CO和3mol H₂
（3）在最新開發(fā)并投入生產(chǎn)的流動(dòng)電解質(zhì)直接甲醇燃料電池中，流動(dòng)電解質(zhì)硫酸的使用，可提高燃料電池效率約30%，該電池的負(fù)極反應(yīng)為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)電源新型電池,反應(yīng)速率的定量表示方法

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）①①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根據(jù)定一議二原則，定溫度同，再比較壓強(qiáng)，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率，由此判斷；
（2）③根據(jù)△G=△H-T?△S進(jìn)行判斷，如△G＜0，則反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，如△G＞0，則不能自發(fā)進(jìn)行；
④增加甲醇產(chǎn)率，應(yīng)改變條件使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，根據(jù)平衡移動(dòng)原理分析解答；
（3）根據(jù)原電池中負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，正極發(fā)生還原反應(yīng)，并考慮電解質(zhì)溶液參與電極反應(yīng)來分析．

解答： 解：（1）由100℃平衡CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5可知，消耗CH₄為1mol×0.5=0.5mol，平衡時(shí)甲烷的濃度變化量為：

0.5mol

100L

=5×10^-3mol/L，根據(jù)甲烷與氫氣的計(jì)量數(shù)關(guān)系，則：v（H₂）=3v（CH₄）=3×

5×10-3mol/L

5min

=0.0030mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.0030mol?L^-1?min^-1；
②由圖可知溫度相同時(shí)，到達(dá)平衡時(shí)，壓強(qiáng)為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，正反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率降低，故壓強(qiáng)P₁＜P₂，
故答案為：＜；
（2）③該反應(yīng)正反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，氣體的物質(zhì)的量越多，其熵越大，所以△S＜0，混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇，則應(yīng)該滿足：△G=△H-T?△S＜0，由于△S＜0，則△H＜0，
故答案為：＜；
④增加甲醇產(chǎn)率，應(yīng)改變條件使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，
A．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率減小，故A錯(cuò)誤；
B．將CH₃OH（g）從體系中分離，降低生成物的濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，容器的容積不變，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；
D．再充入1mol CO和3mol H₂，可以等效為增大壓強(qiáng)，平衡向體積減小的正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故D正確，
故答案為：BD；
（3）由燃料電池是原電池的一種，負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極得電子發(fā)生還原反應(yīng)，甲醇燃燒生成二氧化碳和水，
但在酸性介質(zhì)中，正極不會(huì)生成大量氫離子，則電解質(zhì)參與電極反應(yīng)，甲醇燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
正極反應(yīng)式為：

3

2

O₂+6H⁺+6e^-=3H₂O，
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．

點(diǎn)評(píng)：本題考查化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、化學(xué)平衡計(jì)算、化學(xué)平衡的影響因素及讀圖能力、原電池工作原理等，綜合性較大，題目難度中等，知識(shí)面廣，應(yīng)加強(qiáng)平時(shí)知識(shí)的積累，注意控制變量法與定一議二原則應(yīng)用．