Question

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．Ⅰ、CH4（g）+H2O（g）═CO

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．Ⅰ、CH4（g）+H2O（g）═CO（g）+3H2（g）△H=+206.0KJ/molⅡ、CO（g）+2H2（g）═CH3OH（g）△H=-129.0KJ/mol（1）CH4（g）与 H2O（g）反应成CH3OH（g）和H2（g）的热化学方程式为______．（2）将1.0mol CH4和2.0mol H2O（g）通入容积为2L的密闭容器中，在一定条件下发生反应I，测得在一定压强下平衡时CH4的转化率与温度的关系如图1．①假设100℃时反应I达到平衡所需的时间为5min，则用H2表示这段时间该反应的平均反应速率为______．②100℃时反应I的平衡常数为______．若保持温度和容器的容积不变，5min时再向容器中充入H2O（g）和CO各0.2mol，平衡将______移动（填“正向”、“逆向”或“不”）．（3）如图2，P是可自由平行滑动的活塞，关闭K2，在相同温度下，通过K1、K3分别向A、B中各充入2mol CO和3mol H2，在一定条件下发生反应Ⅱ，关闭K1、K3，反应起始时A、B的体积相同，均为a L．①反应达到平衡后，A内压强为起始压强的35，则平衡时A容器中H2的体积分数为______．②若在平衡后打开K2，再次达到平衡后B容器的体积缩至0.6a L，则打开K2之前，B容器的体积为______L．（4）甲醇对水质会造成一定的污染，有一种电化学法可消除这种污染，其原理是：通电后，将CO2+氧化成CO3+，然后以CO3+作氧化剂把水中的甲醇氧化成CO2而净化．实验室用如图3装置模拟上述过程：①写出阳极电极反应式______；②写出除去甲醇的离子方程式______．

Answer 1

（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
依据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77.0kJ?mol^-1
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g））△H=+77.0kJ?mol^-1；
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为2L的反应室，在一定条件下发生反应I，由图象可知100℃甲烷转化率为40%，故参加反应的甲烷为1mol×40%=0.4mol，则：
              CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0        0
变化量（mol）：0.4      0.4      0.4      1.2
平衡量（mol）：0.6      1.6      0.4      1.2
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=

1.2mol 2L

5min

=0.12 mol?L^-1?min^-1，
故答案为：0.12 mol?L^-1?min^-1；
②100℃时反应I的平衡浓度为c（CH₄）=0.30mol/L，c（H₂O）=0.8mol/L，c（CO）=0.2mol/L，c（H₂）=0.6mol/L，
平衡常数K=

0.6mol?L?13×0.2mol?L?1

0.3mol?L?1×0.8mol?L?1

=0.18mol²?L^-2，
平衡后再向容器中充入H₂O（g）和CO各0.2mol，则c（CH₄）=0.30mol/L，c（H₂O）=0.9mol/L，c（CO）=0.3mol/L，c（H₂）=0.6mol/L，Qc=

0.6mol?L?13×0.3mol?L?1

0.9mol?L?1×0.3mol?L?1

=0.24（mol/L）²＞K=0.18mol²?L^-2，平衡逆向移动，
故答案为：0.18mol²?L^-2；逆向；
（3）①A中    CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
反应前（mol）2        3         0 
反应了（mol）x        2x        x
平衡后（mol）2-x      3-2x       x
体积不变时，气体的压强之比等于气体的物质的量之比，则有（2-x+3-2x+x）：（2+3）=3：5
解得：x=1，平衡时氢气的体积分数为：

1mol

1mol+1mol+1mol

=

1

3

，故答案为：

1

3

；
②打开K2，AB都是恒压环境，AB的体积共缩小了0.4aL，A与B体积相等，则A与B各缩小了0.2aL，则打开K₂之前，B容器的体积为0.8aL，故答案为：0.8aL；
（4）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⁺；
故答案为：Co²⁺-e^-=Co³⁺；
②以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化，自身被还原为Co²⁺，结合原子守恒与电荷守恒可知，还原生成H⁺，配平书写离子方程式为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺．