Question

利用光能和光催化劑，可將CO₂和H₂O（g）轉(zhuǎn)化為CH₄和O₂．紫外光照射時，在不同催化劑（Ⅰ，Ⅱ，Ⅲ）作用下，CH₄的產(chǎn)量隨光照時間的變化如圖1所示．
（1）在O?30小時內(nèi)，CH₄的平均生成速率v（Ⅰ）、v（Ⅱ）和v（Ⅲ）由大到小的順序為

 

；反應(yīng)開始后的15小時內(nèi)，在第

 

種催化劑的作用下，收集的CH₄最多．
（2）將所得CH₄與H₂O（g）通入聚焦太陽能反應(yīng)器，發(fā)生反應(yīng)CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）；△H=+206kJ．mol^-1．將等物質(zhì)的量的CH₄和H₂O（g）充入1L恒容密閉容器，某溫度下反應(yīng)達到平衡，此時測得CO的物質(zhì)的量為O.10mol，CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率為91%，則此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)為

 

 （計算結(jié)果取整數(shù)）．
（3）該反應(yīng)產(chǎn)生的CO和H₂可用來合成可再生能源甲醇，已知CO（g）、CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，則CH₃OH（l）不完全燃燒生成CO（g）和H₂O（l）的熱化學方程式為

 

．
（4）工業(yè)上常利用反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），△H＜0合成甲醇，在230℃?270℃最為有利．為研究合成氣最合適的起始組成比n（H₂）：n（CO），分別在230℃、250℃和270℃進行實驗，結(jié)果如圖2．
①270℃的實驗結(jié)果所對應(yīng)的曲線是

 

 （填字母）；
②230℃時，工業(yè)生產(chǎn)適宜釆用的合成氣組成n（H₂）：n（CO）的比值范圍是

 

 （填字母）．
A.1?1.5   B.2.5?3  C.3.5?4.5
（5）某同學以石墨為電極，以KOH溶液為電解質(zhì)設(shè)計甲醇燃料電池，其負極的電極反應(yīng)式為

 

．

Answer 1

分析：（1）相同時間甲烷的物質(zhì)的量的變化量越大，表明平均速率越大，相同時間甲烷的物質(zhì)的量的變化量越小，平均反應(yīng)速率越�。�由圖2可知反應(yīng)開始后的15小時內(nèi)，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多；
（2）依據(jù)化學平衡的三段式計算列式計算，根據(jù)轉(zhuǎn)化率和平衡常數(shù)的概念計算；
（3）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學方程式；
（4）依據(jù)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越��；CO為有毒氣體反應(yīng)時盡可能完全轉(zhuǎn)化；
（5）在燃料電池中，負極上是燃料發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，甲醇在負極失去電子生成碳酸根離子．

解答：解：（1）由圖2可知，在0～30h內(nèi)，甲烷的物質(zhì)的量變化量為△n（Ⅰ）＞△n（Ⅱ）＞△n（Ⅲ），故在0～30h內(nèi)，CH₄的平均生成速率v（Ⅲ）＜v（Ⅱ）＜v（Ⅰ）；
由圖2可知反應(yīng)開始后的15小時內(nèi)，在第Ⅱ種催化劑的作用下，收集的CH₄最多，
故答案為：v（Ⅰ）＞v（Ⅱ）＞v（Ⅲ）；Ⅱ；
（2）解：依據(jù)化學平衡的三段式列式計算，設(shè)CH₄與H₂O（g）物質(zhì)的量為a，
                CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）    a      a         0      0
變化量（mol）   0.10   0.10      0.10    0.30
平衡量（mol）   a-0.10  a-0.10   0.10     0.30
CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率為91%，則x=

0.1

a

×100%=91%，所以a=0.11；
所以平衡時c（ CH₄）=0.01mol/L，c（ H₂O）=0.01mol/L，c（ CO）=0.1mol/L，c（ H₂）=0.3mol/L，
則平衡常數(shù)：K=

C(CO)C3(H2)

C(CH4)C(H2O)

=

0.10mol/L×(0.30mol/L)3

0.01mol/L×00.1mol/L

=27（mol?L^-1）²，
故答案為：27 （mol?L^-1）²；
（3）由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，則
①CO（g）+1/2O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1 
②CH₃OH（l）+3/2O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1 
由蓋斯定律可知用②-①得反應(yīng)CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），該反應(yīng)的反應(yīng)熱△H=-726.5kJ?mol^-1-（-283.0kJ?mol^-1）=-443.5kJ?mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
（4）工業(yè)上用反應(yīng)④低壓合成甲醇，在230℃～270℃最為有利．為研究合成氣最合適的起始組成比，分別在230℃、250℃和270℃進行實驗，結(jié)果如圖．合成甲醇是放熱反應(yīng)，溫度越低轉(zhuǎn)化率越大，結(jié)合圖象可知，270℃的實驗結(jié)果所對應(yīng)的曲線是 Z；230℃時，工業(yè)生產(chǎn)釆用的合成氣組成n（H₂）：n（CO）的比值為2.5?3時，CO轉(zhuǎn)化率已經(jīng)很高，故選B．
故答案為：Z；B；
（5）在甲醇燃料電池中，負極上是燃料甲醇失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，在堿性環(huán)境下，電極反應(yīng)為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，
故答案為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．

點評：本題考查了化學平衡常數(shù)的計算，熱化學方程式的書寫，蓋斯定律的應(yīng)用，化學平衡的進行方向，電極方程式的書寫，題目難度較大．