Question

近来，制备和利用氢气这一清洁能源已有多项成果．（1）德国克莱斯公司成功研制了利用甲醇CH₃OH）车载制氢燃料电池工艺，其原理如图1所示，请观察此图回答：
①此碱性燃料电池的正极反应式为

O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-

；
②甲醇与水反应制取氢气的化学方程式

CH₃OH+H₂O?3H₂+CO₂

．
（2）美国Bay等工厂使用石油热裂解的副产物甲烷来制取氢气，其生产流程如图2：
①此流程的第II步反应为：CO（g）+H₂O（g）

高温

H₂（g）+CO₂（g），平衡常数随温度的变化如下表．

温度/℃	400	500	830	1000
平衡常数K	10	9	1	0.6

在830℃，n（CO）、n（H₂O）、n（H₂）、n（CO₂）的物质的量分别是1、5、2、3投入恒容反应器发生上述反应，反应开始时，向

逆

（填正、逆）反应方向进行．
②若400℃时，第Ⅱ步反应生成l mol氢气放出的热量为33.2kJ，第I步反应的热化学方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol^-1 则400℃时，甲烷和水蒸气反应生成二氧化碳和氢气的热化学方程式为

CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5kJ?mol^-1

．
（3）工业上有一种用CO₂来生产甲醇燃料的方法：
CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ?mol^-1
将6molCO₂和8molH₂充入2L的密闭容器中，测得H₂的物质的量随时间变化如图3所示（实线）．
①a点正反应速率

大于

（填大于、等于或小于）逆反应速率．
②求平衡时氢气的转化率

75%

和该条件下反应的平衡常数K=

0.5

．
③仅改变某一实验条件再进行两次实验，测得H₂的物质的量随时间变化如图3虚线所示，曲线I对应的实验条件改变是

升高温度

，曲线II对应的实验条件改变是

增大压强

．

Answer 1

分析：（1）①正极上是氧气得电子发生还原反应生成OH^-；
②根据元素守恒甲醇与水反应制取氢气和二氧化碳；
（2）①根据Qc=

c(H2)c(CO2)

c(CO)c(H2O)

与K的大小关系判断；
②ⅠCO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-33.2kJ?mol^-1，
ⅡCH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol^-1，
由盖斯定律可知，Ⅰ+Ⅱ得到CH₄（g）2+H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）；
（3）①a点时还没有达到平衡状态，从反应物的物质的量的变化趋势判断反应进行的方向，依次判断正逆反应速率大小；
②根据已知反应物的量，利用三段式，求出平衡时各物质的物质的量，再求转化率和平衡常数；
③从虚线变化判断达到平衡时反应物的转化的物质的量来分析，曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，应是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动，曲线Ⅲ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，平衡正向移动，应是增大压强．

解答：解：（1）①正极上是氧气得电子发生还原反应生成OH^-其电极反应方程为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，故答案为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
②甲醇与水反应制取氢气和二氧化碳，其反应方程为：CH₃OH+H₂O?3H₂+CO₂，故答案为：CH₃OH+H₂O?3H₂+CO₂；
（2）①Qc=

c(H2)c(CO2)

c(CO)c(H2O)

=

3 V × 2 V

5 V × 1 V

=1.2＞K=1，所以平衡逆移，故答案为：逆；
②ⅠCO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-33.2kJ?mol^-1，
ⅡCH₄（g）+H₂O（g）=3H₂（g）+CO（g）△H=-103.3kJ?mol^-1，
由盖斯定律可知，Ⅰ+Ⅱ得到CH₄（g）2+H₂O（g）=4H₂（g）+CO₂（g）△H=-136.5kJ?mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=-136.5kJ?mol^-1；
（3）①（1）a点时还没有达到平衡状态，反应物氢气的物质的量继续减小，平衡向正向移动，所以正反应速率大于逆反应速率，故答案为：大于；
②设参加反应的二氧化碳为nmol；
         CO₂（g）+3H₂（g）CH₃OH（g）+H₂O
起始的量：6mol     8mol
反应的量：n        3n        n        n
平衡的量：6-n      8-3n      n        n
已知平衡时：氢气的物质的量为2mol，所以8-3n=2，即n=2mol，所以CO₂、H₂、CH₃OH、H₂O的浓度分别为：2mol/L，1mol/L，1mol/L，1mol/L；
所以平衡时氢气的转化率为：

2×3mol

8mol

×100%=75%，K=

c(CH3OH)c(H2O)

c(CO2)c3(H2)

=

1×1

2×13

=0.5，
故答案为：75%；0.5；
③曲线I反应速率增大，但转化的氢气的物质的量少，应是升高温度，因该反应放热，升高温度平衡逆向移动，不利于氢气的转化，故曲线I是升高温度；曲线Ⅲ反应速率增大，转化的氢气的物质的量多，因增大压强平衡正向移动，故应是增大压强，故答案为：升高温度；增大压强．

点评：此题考查化学反应速率或平衡的图象和热化学反应方程式，考查计算反应速率的大小比较以及反应物转化的多少，注意把握对题目图象的分析．题目较为综合，具有一定难度．