甲醇可作为燃料电池的原料.以CH4和H2O为原料,通过下列反应反应来制备甲醇.反应I:CH4 (g)+H2O (g)
来源:新能源网
时间:2024-08-17 11:39:06
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甲醇可作为燃料电池的原料.以CH4和H2O为原料,通过下列反应反应来制备甲醇.反应I:CH4 (g)+H2O (g)【专家解说】:(1)I:CH4 (g)+H2O (g)=CO (
【专家解说】:(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=+77kJ?mol-1
所以CH3OH (g)和H2(g)反应生成CH4(g)与H2O(g)的热化学方程式为:CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
故答案为:CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
(2)将1.0mol CH4和2.0mol H2O ( g )通入容积固定为10L的反应室,在一定条件下发生反应I:图象分析可知100°C甲烷转化率为50%,依据化学平衡三段式列式
CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)
起始量(mol) 1.0 2.0 0 0
变化量(mol) 1.0×50% 0.5 0.5 1.5
平衡量(mol) 0.5 1.5 0.5 1.5
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=1.5mol10L5min=0.03 mol?L-1?min-1
故答案为:0.03 mol?L-1?min-1
②100℃时反应I的平衡浓度为c(CH4)=0.05mol/L,c(H2O)=0.15mol/L,c(CO)=0.05mol/L,c(H2)=0.15mol/L,
平衡常数K=c(CO)c3(H2)c(CH4)c(H2O)=0.05×0.1530.05×0.15=2.25×10-2
故答案为:2.25×10-2
③CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)
A.CO的含量保持不变,说明反应达到平衡,故A正确;
B.容器中CH4浓度与CO浓度相等,与消耗量和起始量有关反应不一定达到平衡,故B错误;
C.混合气体质量不变,体积不变,反应过程中密度不变,容器中混合气体的密度保持不变不能说明反应达到平衡,故C错误;
D.反应速率之比等于化学方程式系数之比是正反应速率之比,3V正(CH4)=V正(H2),若3V正(CH4)=V逆(H2)说明V正(H2)=V逆(H2)说明反应达到平衡,故D正确;
故答案为:A D;
(3)A.该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大,则T1<T2<T3,故A错误;
B.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大,故温度T1<T3,温度越高,反应速率越快,故υ(a)<υ(c).b、d两点温度相同,压强越大,反应速率越大,b点大于d点压强,则v(b)>v(d),故B错误;
C.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,故温度T1<T3,降低温度平衡向正反应方向移动,则K(a)>K(c),平衡常数只与温度有关,b、d两点温度相同,平衡常数相同,则K(b)=K(d),故C正确;
D.CO转化率的越大,n总越小,由M=mn可知,a点n总小,则M(a)>M(c),M(b)>M(d),故D错误;
故选C.
(4)甲醇蒸汽重整法.该法中的一个主要反应为CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g),反应△H>0,反应自发进行需要满足△H-T△S<0,所以反应自发进行是因为该反应是熵增大的反应;
故答案为:该反应是一个熵增的反应,△S>0;
(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+;
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+.;
③若3图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池,甲醇在负极失电子发生氧化反应,在碱溶液中生成碳酸盐,则电池负极的电极反应式为CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O;
故答案为:CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O;
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=+77kJ?mol-1
所以CH3OH (g)和H2(g)反应生成CH4(g)与H2O(g)的热化学方程式为:CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
故答案为:CH3OH (g)+H2(g)=CH4(g)+H2O(g)△H=-77.0 kJ?mol-1
(2)将1.0mol CH4和2.0mol H2O ( g )通入容积固定为10L的反应室,在一定条件下发生反应I:图象分析可知100°C甲烷转化率为50%,依据化学平衡三段式列式
CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)
起始量(mol) 1.0 2.0 0 0
变化量(mol) 1.0×50% 0.5 0.5 1.5
平衡量(mol) 0.5 1.5 0.5 1.5
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=1.5mol10L5min=0.03 mol?L-1?min-1
故答案为:0.03 mol?L-1?min-1
②100℃时反应I的平衡浓度为c(CH4)=0.05mol/L,c(H2O)=0.15mol/L,c(CO)=0.05mol/L,c(H2)=0.15mol/L,
平衡常数K=c(CO)c3(H2)c(CH4)c(H2O)=0.05×0.1530.05×0.15=2.25×10-2
故答案为:2.25×10-2
③CH4 (g)+H2O (g)=CO (g)+3H2 (g)
A.CO的含量保持不变,说明反应达到平衡,故A正确;
B.容器中CH4浓度与CO浓度相等,与消耗量和起始量有关反应不一定达到平衡,故B错误;
C.混合气体质量不变,体积不变,反应过程中密度不变,容器中混合气体的密度保持不变不能说明反应达到平衡,故C错误;
D.反应速率之比等于化学方程式系数之比是正反应速率之比,3V正(CH4)=V正(H2),若3V正(CH4)=V逆(H2)说明V正(H2)=V逆(H2)说明反应达到平衡,故D正确;
故答案为:A D;
(3)A.该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大,则T1<T2<T3,故A错误;
B.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,温度越低,CO的转化率越大,故温度T1<T3,温度越高,反应速率越快,故υ(a)<υ(c).b、d两点温度相同,压强越大,反应速率越大,b点大于d点压强,则v(b)>v(d),故B错误;
C.由图可知,a、c两点压强相同,平衡时a点CO转化率更高,该反应为放热反应,故温度T1<T3,降低温度平衡向正反应方向移动,则K(a)>K(c),平衡常数只与温度有关,b、d两点温度相同,平衡常数相同,则K(b)=K(d),故C正确;
D.CO转化率的越大,n总越小,由M=mn可知,a点n总小,则M(a)>M(c),M(b)>M(d),故D错误;
故选C.
(4)甲醇蒸汽重整法.该法中的一个主要反应为CH3OH(g)?CO(g)+2H2(g),反应△H>0,反应自发进行需要满足△H-T△S<0,所以反应自发进行是因为该反应是熵增大的反应;
故答案为:该反应是一个熵增的反应,△S>0;
(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+;
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+.;
③若3图装置中的电源为甲醇-空气-KOH溶液的燃料电池,甲醇在负极失电子发生氧化反应,在碱溶液中生成碳酸盐,则电池负极的电极反应式为CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O;
故答案为:CH3OH-6e-+8OH-═CO32-+6H2O;
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