10.甲醇可作為燃料電池的原料.以CH4和H2O為原料,通過下列反應(yīng)來制備甲醇.
I:CH4 ( g )+H2O ( g )=CO ( g )+3H2 ( g )△H=+206.0kJ•mol-1
II:CO ( g )+2H2 ( g )=CH3OH ( g )△H=-129.0kJ•mol-1
(1)CH4(g)與H2O(g)反應(yīng)生成CH3OH (g)和H2(g)的熱化學(xué)方程式為CH4(g)+H2O(g)=CH3OH(g)+H2(g)△H=+77.0kJ•mol-1
(2)將1.0mol CH4和2.0mol H2O ( g )通入容積為100L的反應(yīng)室,在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I,測得在一定的壓強(qiáng)下CH4的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖1.
①假設(shè)100℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min,則用H2表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為0.003mol•L-1•min-1
②100℃時反應(yīng)I的平衡常數(shù)為2.25×10-4
(3)在壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為300℃條件下,將a mol CO與3a mol H2的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)II生成甲醇,平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$,其他條件不變,對平衡體系產(chǎn)生的影響是C、D (填字母序號).
A.c ( H2 )減少B.正反應(yīng)速率加快,逆反應(yīng)速率減慢
C.CH3OH 的物質(zhì)的量增加D.重新平衡c ( H2 )/c (CH3OH )減小
E.平衡常數(shù)K增大
(4)甲醇對水質(zhì)會造成一定的污染,有一種電化學(xué)法可消除這種污染,其原理是:通電后,將Co2+氧化成Co3+,然后以Co3+做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO2而凈化.實驗室用圖2裝置模擬上述過程:
①寫出陽極電極反應(yīng)式Co2+-e-=Co3+
②寫出除去甲醇的離子方程式6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6Co2++6H+
③若右圖裝置中的電源為甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池,則電池負(fù)極的電極反應(yīng)式:CH3OH-6e-+8OH-=CO32-+6H2O,凈化含1mol甲醇的水燃料電池需消耗KOH2mol.

分析 (1)I:CH4 ( g )+H2O ( g )=CO ( g )+3H2 ( g )△H=+206.0kJ•mol-1
II:CO ( g )+2H2 ( g )=CH3OH ( g )△H=-129.0kJ•mol-1,
Ⅰ-Ⅱ得:CH4(g)+H2O(g)=CH3OH(g)+H2(g)△H,依據(jù)蓋斯定律計算反應(yīng)熱;
(2)100℃時達(dá)到平衡時,甲烷轉(zhuǎn)化率為50%,結(jié)合化學(xué)平衡三段式列式計算平衡時各組分的物質(zhì)的量;
①根據(jù)c=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計算v(H2);
②計算平衡狀態(tài)時各物質(zhì)的濃度,代入平衡常數(shù)表達(dá)式計算;
(3)其他條件不變,平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$,壓強(qiáng)增大,正、逆反應(yīng)速率都增大,但正反應(yīng)速率增大更多,平衡向正反應(yīng)方向移動,生成物的濃度增大,由于溫度不變,則平衡常數(shù)不變,結(jié)合平衡常數(shù)可知,平衡時反應(yīng)物各組分的濃度都增大,據(jù)此分析解答;
(4)①通電后,將Co2+氧化成Co3+,電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng);
②以Co3+做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO2而凈化,自身被還原為Co2+,原子守恒與電荷守恒可知,還原生成H+,配平書寫為:6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6Co2++6H+;
③依據(jù)燃料電池中燃料在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng),結(jié)合電荷守恒配平書寫電極反應(yīng),依據(jù)化學(xué)方程式計算消耗氫氧化鉀物質(zhì)的量.

解答 解:(1)I:CH4 ( g )+H2O ( g )=CO ( g )+3H2 ( g )△H1=+206.0kJ•mol-1
II:CO ( g )+2H2 ( g )=CH3OH ( g )△H2=-129.0kJ•mol-1,
Ⅰ-Ⅱ得:CH4(g)+H2O(g)=CH3OH(g)+H2(g)△H,依據(jù)蓋斯定律::△H=+206.0kJ/mol-(-129.0kJ/mol)=+77.0 kJ/mol,
故答案為:CH4(g)+H2O(g)=CH3OH (g)+H2(g)△H=+77.0 kJ•mol-1
(2)將1.0mol CH4和2.0mol H2O ( g )通入容積固定為100L的反應(yīng)室,在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I,由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%,故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol,則:
              CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)
起始量(mol):1.0       2.0      0         0
變化量(mol):0.5       0.5      0.5      1.5
平衡量(mol):0.5       1.5      0.5      1.5
①假設(shè)100℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min,則用H2表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L-1•min-1,
故答案為:0.003 mol•L-1•min-1;
②100℃時反應(yīng)I的平衡濃度為c(CH4)=0.005mol/L,c(H2O)=0.015mol/L,c(CO)=0.005mol/L,c(H2)=0.015mol/L,
平衡常數(shù)K=$\frac{0.005×0.01{5}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10-4
故答案為:2.25×10-4;
(3)A.平衡后將容器的容積壓縮到原來的$\frac{1}{2}$,壓強(qiáng)增大,平衡向正反應(yīng)方向移動,生成物的濃度增大,由于平衡常數(shù)不變,結(jié)合平衡常數(shù)可知,平衡時反應(yīng)物各組分的濃度都增大,故A錯誤;
B.壓強(qiáng)增大,正、逆反應(yīng)速率都增大,但正反應(yīng)速率增大更多,故B錯誤;
C.壓強(qiáng)增大,平衡向正反應(yīng)方向移動,CH3OH 的物質(zhì)的量增加,故C正確;
D.壓強(qiáng)增大,平衡向正反應(yīng)方向移動,氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)的量增大,故重新平衡$\frac{c(H{\;}_{2})}{c(C{H}_{3}OH)}$減小,故D正確;
E.平衡常數(shù)只受溫度影響,溫度不變,平衡常數(shù)不變,故E錯誤;
故答案為:CD;
(4)①通電后,將Co2+氧化成Co3+,電解池中陽極失電子發(fā)生氧化反應(yīng),電極反應(yīng)為Co2+-e-=Co3+;
故答案為:Co2+-e-=Co3+
②以Co3+做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO2而凈化,自身被還原為Co2+,原子守恒與電荷守恒可知,還原生成H+,配平書寫為:6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6Co2++6H+;
故答案為:6Co3++CH3OH+H2O=CO2↑+6 Co2++6H+;
③若3圖裝置中的電源為甲醇-空氣-KOH溶液的燃料電池,甲醇在負(fù)極失電子發(fā)生氧化反應(yīng),在堿溶液中生成碳酸鹽,則電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O,依據(jù)化學(xué)方程式計算分析2CH3OH+3O2+4KOH→2K2CO3+6H2O,凈化含1mol甲醇的水燃料電池需消耗KOH物質(zhì)的量2mol;
故答案為:CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O;2.

點評 本題考查熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)平衡圖象、影響化學(xué)平衡因素、平衡常數(shù)與反應(yīng)速率計算、原電池等,掌握基礎(chǔ)是解本題的關(guān)鍵,題目難度中等.

練習(xí)冊系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

20.下列表達(dá)式中錯誤的是( 。
A.過氧化氫的電子式:B.S2-的結(jié)構(gòu)示意圖:
C.氟化鈣的電子式:D.CO2分子的結(jié)構(gòu)式:O=C=O

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:解答題

1.某;瘜W(xué)興趣小組設(shè)計了圖示實驗裝置(圖中省略了夾持儀器)來測定某鐵碳合金中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù).

(1)m克鐵碳合金中加入過量濃硫酸,未點燃酒精燈前,A、B均無明顯現(xiàn)象,其原因是:①常溫下碳與濃硫酸不反應(yīng);②常溫下Fe遇濃硫酸發(fā)生鈍化.
(2)寫出加熱時A中碳與濃硫酸發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式:C+2H2SO4(濃)$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$CO2↑+2SO2↑+2H2O.
(3)B中的現(xiàn)象是:品紅溶液褪色;C的作用是:除盡反應(yīng)產(chǎn)物中的SO2氣體.
(4)待A中不再逸出氣體時,停止加熱,拆下E并稱重,E增重bg.則鐵碳合金中鐵的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為:$\frac{11m-3b}{11m}$×100%(寫化簡后的表達(dá)式).

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:解答題

18.為了合理利用化學(xué)能,確保安全生產(chǎn),化工設(shè)計需要充分考慮化學(xué)反應(yīng)的焓變,并采取相應(yīng)措施.化學(xué)反應(yīng)的焓變通常用實驗進(jìn)行測定,也可進(jìn)行理論推算.
(1)實驗測得,5g甲醇在氧氣中充分燃燒生成二氧化碳?xì)怏w和液態(tài)水時釋放出113.5kJ的熱量,試寫出甲醇燃燒的熱化學(xué)方程式:2CH3OH(l)+3O2(g)=2CO2(g)+4H2O(l)△H=-1452.8kJ/mol.
(2)由氣態(tài)基態(tài)原子形成1mol化學(xué)鍵釋放的最低能量叫鍵能.從化學(xué)鍵的角度分析,化學(xué)反應(yīng)的過程就是反應(yīng)物的化學(xué)鍵的斷裂和生成物的化學(xué)鍵的形成過程.在化學(xué)反應(yīng)過程中,拆開化學(xué)鍵需要消耗能量,形成化學(xué)鍵又會釋放能量.已知反應(yīng)N2(g)+3H2(g)?2NH3(g)△H=akJ•mol-1.試根據(jù)表中所列鍵能數(shù)據(jù)計算a的數(shù)值-93:
化學(xué)鍵H-HN-HN≡N
鍵能/kJ•mol-1436391945
(3)依據(jù)蓋斯定律可以對某些難以通過實驗直接測定的化學(xué)反應(yīng)的焓變進(jìn)行推算.
已知:C(石墨,s)+O2(g)═CO2(g)△H1=-393.5kJ•mol-1
2H2(g)+O2(g)═2H2O(l)△H2=-571.6kJ•mol-1
2C2H2(g)+5O2(g)═4CO2(g)+2H2O(l)△H3=-2599kJ•mol-1
根據(jù)蓋斯定律,298K時由C(石墨,s)和H2(g)生成C2H2(g)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式:2C (s,石墨)+H2(g)=C2H2(g)△H=+226.7kJ•mol-1

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:多選題

5.某課外活動小組同學(xué)用如圖裝置進(jìn)行實驗,下列有關(guān)說法中,正確的是( 。
A.若X、Y、Z分別為鐵片、銅片、氯化銅溶液,開關(guān)K與a連接,則Y極上有氣泡放出
B.若X、Y、Z分別為鐵片、銅片、氯化銅溶液,開關(guān)K與a連接,則溶液中Cu2+向Y極移動
C.若X、Y、Z分別為石墨、石墨、氯化銅溶液,開關(guān)K與b連接,則溶液中Cu2+向Y極移動
D.若X、Y、Z分別為石墨、石墨、氯化銅溶液,開關(guān)K與b連接,則 Y極上有黃綠色氣體生成

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

15.香檸檬油可用于化妝品.香檸檬油含微量的香檸檬酚和香檸檬醚,其結(jié)構(gòu)如圖.下列說法正確的是( 。
A.香檸檬醚分子式為C13H9O4
B.香檸檬醚最多可與7 mol H2發(fā)生加成反應(yīng)
C.1 mol香檸檬酚最多可與2 mol Br2發(fā)生反應(yīng)
D.1 mol香檸檬酚與NaOH溶液反應(yīng),最多消耗3 mol NaOH

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

2.鎂鋁合金(Mg17Al12)是一種潛在的儲氫材料,該合金在一定條件下完全吸氫的化學(xué)方程式為Mg17Al12+17H2═12Al+17MgH2.得到的混合物G(12Al+17MgH2).0.1molG和足量的稀鹽酸反應(yīng)放出的H2與O2在KOH溶液中構(gòu)成燃料電池,理論上正極上消耗氧氣體積(標(biāo)準(zhǔn)狀況)為( 。
A.44.80LB.58.24LC.80.64LD.116.48L

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

16.下列應(yīng)用中涉及氧化反應(yīng)的是( 。
A.用明礬凈化水
B.用浸泡過高錳酸鉀溶液的硅藻土保鮮水果
C.用裝有硅膠的透氣小袋防潮
D.屠呦呦用乙醚從中藥中萃取青蒿素

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

17.下列各組順序的排列不正確的是( 。
A.熔點:金剛石>干冰B.穩(wěn)定性:SiH4>H2S
C.堿性:KOH>Al(OH)3D.離子半徑:O2->Na+

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