Question

能源问题是人类社会面临的重大课题，日本大地震引起的核泄漏事故引起了人们对核能源的恐慌．而甲醇是未来重要的绿色能源之一．以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应来制备甲醇．
①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
（l）CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式为______．
（2）将1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通过容积为100L的反应室，在一定条件下发生反应I，测得在一定的压强下CH₄的转化率与温度的关系如图1．

①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示该反应的平均反应速率为______；
②100℃时反应I的平衡常数为______．
（3）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将1.0molCO与2.0molH₂的混合气体在催化剂作用下发生反应Ⅱ生成甲醇，平衡后将容器的容积压缩到原来的，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是______（填字母序号）．
A．c（H₂）减小               B．正反应速率加快，逆反应速率减慢
C．CH₃OH的物质的量增加       D．重新平衡时减小      E．平衡常数K增大
（4）工业上利用甲醇制备氢气的常用方法有两种：
①甲醇蒸气重整法．该法中的一个主要反应为CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反应能自发进行的原因是：______．
②甲醇部分氧化法．在一定温度下以Ag/CeO₂-ZnO为催化剂时原料气比例对反应的选择性（选择性越大，表示生成的该物质越多）影响关系如图2所示．则当n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应方程式为______

Answer 1

【答案】分析：（1）依据盖斯定律结合题干热化学方程式计算得到；
（2）①100°时甲烷的转化率为40%，变化的甲烷为0.4mol，生成的氢气依据反应①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；可知氢气物质的量为1.2mol，依据反应速率概念计算；
 ②依据化学平衡三段式计算平衡浓度、根据平衡常数的概念计算得到；
（3）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将1.0molCO与2.0molH₂的混合气体在催化剂作用下发生反应Ⅱ生成甲醇，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol；
平衡后将容器的容积压缩到原来的，其他条件不变，体积减小压强增大，反应速率增大，平衡正向进行；
（4）①反应为CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反应能自发进行的原因是△H-T△S＜0，反应是熵增加的反应；
②当n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应为甲醇的催化氧化生成甲醛，反应的方程式为：2CH₃OH+O₂2HCHO+2H₂O；
（5）①通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化的离子方程式结合氧化还原反应的实质原子守恒，电荷守恒配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
解答：解：（1）依据盖斯定律结合题干热化学方程式计算得到；①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；②CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol
①-②得到CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CH₃OH（g）和H₂（g）的热化学方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0KJ/L；
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+77.0KJ/L
（2）①100°时甲烷的转化率为40%，变化的甲烷为0.4mol，生成的氢气依据反应①CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol；可知氢气物质的量为1.2mol，用H₂表示该反应的平均反应速率==0.0024mol/L?min；
②依据化学平衡三段式计算平衡浓度、根据平衡常数的概念计算得到
              CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）0.01    0.02     0       0
变化量（mol/L） 0.004 0.004   0.004    0.012
平衡量（mol/L）0.006  0.016   0.004    0.012
K===7.2×10^-5（mol/L）²
故答案为：0.0024mol/L?min；7.2×10^-5（mol/L）²
（3）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将1.0molCO与2.0molH₂的混合气体在催化剂作用下发生反应Ⅱ生成甲醇，CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0kJ/mol；
平衡后将容器的容积压缩到原来的，其他条件不变，体积减小压强增大，反应速率增大，平衡正向进行
A、体积减小，c（H₂）增大，故A错误；
B、压强增大，正逆反应速率都加快，故B错误；
C、体积减小，压强增大，平衡正向进行，CH₃OH的物质的量增加，故C正确；
D、体积减小，压强增大，平衡正向进行，重新平衡时减小，故D正确；
E、平衡常数K只随温度的而变化，故E错误；
故选CD；
（4）①反应为CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反应能自发进行的原因是△H-T△S＜0，反应是熵增加的反应，；
②当n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应为甲醇的催化氧化生成甲醛，反应的方程式为：2CH₃OH+O₂2HCHO+2H₂O；
故答案为：反应是熵增加的反应；2CH₃OH+O₂2HCHO+2H₂O
（5）①通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，电解池中阳极失电子发生氧化反应，电极反应为Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化的离子方程式结合氧化还原反应的实质原子守恒，电荷守恒配平书写为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：Co²⁺-e^-=Co³⁺；6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
点评：本题考查了热化学方程式的书写，盖斯定律的应用，原电池和电解池原理的综合应用，化学平衡的影响因素分析，反应速率的计算，离子方程式的书写，题目综合性大，难度中等．