Question

（1）甲醇是一种可再生能源，工业上一般采用下列两种反应合成甲醇：
反应Ⅰ：CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g）
反应Ⅱ：CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）
反应Ⅲ：甲醇燃烧2CH₃OH（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）
上述反应符合“原子经济”原则的是

Ⅰ

（填“Ⅰ”或“Ⅱ”）．
（2）依据甲醇燃烧的反应原理，设计如图所示的电池装置．
①该电池正极的电极反应为

O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

．
②工作一段时间后，测验得溶液的pH减小，该电池总反应的
化学方式式为

2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O

．
（3）甲烷也是一种可再生的能源，如果用甲烷来制水煤气，反应方程式为：
CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）
△H═+206kJ/mol
在一体积恒定为1L的密闭器中用1mol甲烷和1mol水蒸气进行以上反应，测得甲烷的物质的量浓度随反应时间的变化如图所示．
①反应在0～5min这段时间共吸收的热量为

103

kJ；
②进行到5min时，反应达到平衡，这时平衡常数K的数值为

6.75

；
③进行到8min时，只改变了影响平衡的一个条件：水蒸气的浓度．10min达到新的平衡，这时c（H₂O）=

5.1

mol/L．（小数点后面保留一位数）

Answer 1

分析：（1）“原子经济”原则是指原子利用率高的原则；
（2）燃料电池的正极反应是氧气得电子的过程，总反应是燃料的燃烧反应；
（3）①根据图象0～5min这段时间所消耗的甲烷的量来判断反应吸收的热量；
②根据K=

[CO][ H2]3

[CH4] [H2O]

来计算；
③根据浓度只影响反应速率不影响化学平衡状态来计算；

解答：解：（1）化合反应的原子利用率最高，为100%，故答案为：Ⅰ；
（2）甲醇燃烧的反应原理是：正极反应一定是氧气得电子的过程，在碱性环境下，得到氢氧根离子，即O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②所有燃料电池的总反应是燃料的燃烧反应，溶液的pH减小，说明电解质氢氧化钾被消耗，即2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O，故答案为：2CH₃OH+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+6H₂O；
（3）①0～5min这段时间所消耗的甲烷的浓度为0.5mol/L，根据热化学方程式CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g），△H═+206kJ/mol的含义，所以消耗的甲烷的浓度为0.5mol/L时，吸收的热量为：

1

2

×206kJ=103KJ，故答案为：103；
②进行到5min钟时，甲烷的浓度为0.5mol/L，所以水蒸气以及一氧化碳的浓度为0.5mol/L，氢气的为1.5mol/L，据K=

[CO][ H2]3

[CH4] [H2O]

=

0.5×1.53

0.5×0.5

=6.75（mol/L）²，故答案为：6.75；
③当反应进行到8min时，甲烷的浓度减小，所以是增加了水蒸气的量，设加入的水蒸气的量为x，则：
               CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）
初始浓度：1        1                 0        0
变化浓度：0.75     0.75               0.75    2.25
8min钟末浓度：0.25     1+x-0.75           0.75    2.25
则Qc=

0.75×2.253

0.25×(1+x-0.75)

=6.75
解得x=4.8125，所以8min时c（H₂O）=4.8125+0.25=5.0625≈5.1（mol/L）．
故答案为：5.1．

点评：本题是一道综合知识题目，考查的角度较广，难度很大．