Question

【題目】氫氣、甲醇是優質的清潔燃料，可制作燃料電池。

(1)已知32 g甲醇燃燒生成二氧化碳和液態水放出的熱量為725. 76 kJ，若上述過程生成的水為氣態，則放出的熱量________(填“大于”“小于”或“等于”) 725.76kJ。

(2)生產甲醇的原料 CO 和 H2來源于CH4(g)+H2O (g)CO(g)+3H2(g)△H > 0，100℃時，將1 mol CH4和2 mol H2O通入容積為1L的定容密封容器中，發生上述反應。

①能說明該反應已達到平衡狀態的是________(填字母代號)。

a.容器內氣體密度恒定

b.單位時間內消耗0.1mol CH4的同時生成0.3mol H2

c.容器內的壓強恒定

d.3v正(CH4) = v 逆(H2)

②如果反應開始至 5 min 后達到平衡 ，且平衡時CH4 的轉化率為 50%，則從開始到平衡這段時間內用比表示的反應速率為___________。

(3)近幾年開發的甲醇燃料電池采用作鉑電極催化劑，電池中的質子交換膜只允許質子和水分子通過。其工作原理示意圖如圖所示：

①P t (a)電極是電池的________極，電極反應式為_____________ 。

②如果該電池工作時電路中通過1.806×1023個電子，則消耗 CH3OH___g。

Answer 1

【答案】小于 cd 0. 3molL-1 min-1 負 CH3OH-6e-+H2O=CO2 +6H+ 1.6

【解析】

氣態水的能量高于液態水的能量；當正逆反應速率相等，各組分濃度不再改變的時反應達到平衡狀態；根據燃料電池的工作原理示意圖可知，甲醇生成二氧化碳，碳元素化合價升高，發生氧化反應，故P t (a)為負極。

(1)因為氣態水所具有的能量高于液態水具有的能量，故甲醇燃燒生成氣態水時放出的熱量小于生成液態水時放出的能量。

(2)a.反應物和生成物均為氣體，故反應前后氣體的質量不變，容器的體積也一直不變，故容器內氣體密度一直為恒定值，故不能說明達到平衡狀態，a錯誤；

b.消耗CH4為反應正方向，生成 H2也反應正方向，不能說明正逆反應速率相等，故不能說明達到平衡狀態，b錯誤；

c.根據反應方程式可知，該反應為反應前后氣體分子數增大的反應，故反應開始容器內的壓強增大，當壓強恒定時說明反應達到平衡狀態，c正確；

d.根據反應方程式可知，甲烷與氫氣的化學計量數比為1:3，故反應速率之比也為1:3，故3v正(CH4) = v 逆(H2)說明正逆反應速率相等，反應達到平衡狀態，d正確；

答案選cd。

②如果反應開始至 5 min 后達到平衡 ，且平衡時CH4 的轉化率為 50%，故反應消耗的CH4的物質的量為0.5mol，生成的H2的物質的量為1.5mol，則從開始到平衡這段時間內用H2表示的反應速率v=。

(3)①綜上分析，P t (a)電極是電池的負極，碳元素由-2價變為+4價，失去電子生成二氧化碳和氫離子，故電極反應式為CH3OH-6e-+H2O=CO2 +6H+。

②根據負極電極反應式可知，消耗1mol CH3OH轉移6mol e-，則如果該電池工作時電路中通過1.806×1023個電子，物質的量為0.3mol，則消耗 CH3OH的物質的量為0.05mol，質量為1.6g。