Question

【題目】甲醇不僅是重要的化工原料，而且還是性能優良的能源和車用燃料。

Ⅰ.甲醇水蒸氣重整制氫是電動汽車氫氧燃料電池理想的氫源，生產過程中同時也產生CO，CO會損壞燃料電池的交換膜。相關反應如下：

反應①CH3OH(g) + H2O(g)CO2(g) + 3H2(g) △H1

反應②H2(g)+CO2(g)CO(g) + H2O(g) △H2=+41kJ/mol

如圖表示恒壓容器中0.5mol CH3OH(g)和0.5mol H2O(g)轉化率達80％時的能量變化。

(1)計算反應①的△H1= ________。

(2)反應①能夠自發進行的原因是________。升溫有利于提高CH3OH轉化率，但也存在一個明顯的缺點是 _________。

(3)恒溫恒容下，向密閉容器中通入體積比為1:1的H2和CO2，能判斷反應CH3OH(g) + H2O(g)CO2(g) + 3H2(g)處于平衡狀態的是____________。

A.體系內壓強保持不變

B.體系內氣體密度保持不變

C.CO2的體積分數保持不變

D.斷裂3mol H-H鍵的同時斷裂3mol H-O鍵

(4)250℃，一定壓強和催化劑條件下，1.00mol CH3OH 和 1.32mol H2O充分反應，平衡測得H2為2.70mol，CO為 0.030mol，則反應①中CH3OH的轉化率_________，反應②的平衡常數是 _________(以上結果均保留兩位有效數字)。

Ⅱ.如圖是甲醇燃料電池工作示意圖：

(5)當內電路轉移1.5molCO32-時，消耗甲醇的質量是_________g。

(6)正極的電極反應式為 _______。

Answer 1

【答案】+49kJ/mol 該反應為熵增加的反應，熵增效應大于能量效應 CO含量增高，會破壞該電池的交換膜 ACD 91% 5.6×10-3 16g O2+2CO2+4e-=2CO32-

【解析】

（1）由圖可知，0.5mol CH3OH（g）和0.5mol H2O（g）轉化率達80%即0.4mol時吸收能量23kJ-3.4kJ=19.6kJ，計算1molCH3OH（g）和H2O（g）轉化的能量可得；

（2）根據熵變分析；升溫有利于提高CH3OH轉化率，促進CO的生成，破壞電池交換膜；

（3）根據化學平衡狀態特征：正逆反應速率相等，各組分含量保持不變分析；

（4）根據題意，衡時測得H2為2.70mol，CO為0.030mol，說明反應②生成的H2O（g）為0.03mol，消耗CO2（g）為0.03mol，參與反應②的H2為2.73mol，由反應①生成，則反應①生成CO2（g）為0.91mol，反應中的CO2（g）為0.88mol，根據反應①生成H2為2.73mol，生成CO2（g）為0.91mol，則參與反應的 CH3OH為0.91mol，H2O（g）為0.91mol，故裝置中CH3OH為0.09mol，H2O（g）為1.32mol-0.91mol+0.03mol=0.44mol，H2為2.70mol，CO為0.030mol，CO2（g）為0.88mol，結合轉化率=變化量除以起始量和反應②的K= 計算；

（5）甲醇燃料電池甲醇為負極，電極反應為：2CH3OH-12e-+6CO32-=8CO2+4H2O，據此計算；

（6）正極為氧氣發生氧化反應，結合電解質可得。

(1)由圖可知，0.5mol CH3OH(g)和0.5mol H2O(g)轉化率達80%即0.4mol時吸收能量23kJ-3.4kJ=19.6kJ，則1molCH3OH(g)和H2O(g)轉化的能量=49kJ，故反應①的△H1=+49kJ/mol；

(2)反應①的△H＞0，但熵增加△S＞0，根據△G=△H-T△S＜0時反應自發進行可知當達到一定溫度時，該反應可以自發進行，即該反應能自發進行是由于熵增效應大于能量效應；升溫有利于提高CH3OH轉化率，促進CO的生成，提高CO的產量，但CO會破壞該電池的交換膜；

(3)A．該反應前后氣體系數之和不同，平衡移動過程中壓強會發生變化，所以體系內壓強保持不變時說明反應達到平衡，故A正確；

B．體系內混合氣體總質量保持不變，恒容體積不變，氣體密度始終保持不變，不能判斷化學平衡，故B錯誤；

C．反應達到平衡時各組分含量保持不變，所以CO2的體積分數保持不變說明反應達到平衡，故C正確；

D．斷裂3mol H-H鍵的同時斷裂3mol H-O鍵，說明消耗3mol氫氣的同時消耗1mol甲醇和1mol水，說明正逆反應速率相等，反應達到平衡，故D正確；

綜上所述選ACD；

(4)根據題意，衡時測得H2為2.70mol，CO為0.030mol，說明反應②生成的H2O(g)為0.03mol，消耗CO2為0.03mol，則反應①生成的H2為2.73mol，則反應①生成CO2為0.91mol，平衡時的CO2為0.88mol；反應①生成H2為2.73mol，生成CO2為0.91mol，則轉化的 CH3OH為0.91mol，H2O為0.91mol，故平衡時CH3OH為0.09mol，H2O為1.32mol-0.91mol+0.03mol=0.44mol，H2為2.70mol，CO為0.030mol，CO2為0.88mol，所以甲醇的轉化率為=91%；反應②為前后氣體系數之和相等的可逆反應，所以計算平衡常數時可用物質的量代替濃度，所以平衡常數K==5.6×10-3；

(5)甲醇燃料電池甲醇為負極，電極反應為：2CH3OH-12e-+6CO32-=8CO2+4H2O，當內電路轉移1.5mol CO32-時，消耗甲醇為0.5mol，故消甲醇的質量是0.5mol×32g/mol=16g；

(6)通入氧氣的一極為正極，結合負極產生的二氧化碳生成碳酸根，電極方程式為O2+2CO2+4e-=2CO32-。