Question

【題目】以CH4和 H2O為原料制備二甲醚和甲醇的工業流程如下：

已知：2CO(g)＋O2(g)＝2CO2(g)△H＝－566 kJ·mol-1，CH3OCH3 (g)＋3O2(g)＝2CO2(g)＋3H2O (g) △H＝－1323 kJ·mol-1，2H2(g)＋O2(g)＝2H2O(g)△H＝－484 kJ·mol-1。

（1）反應室3中發生反應：CO(g)＋2H2(g)＝CH3OH(g)。該反應在一定條件下能自發進行的原因是_____。

（2）反應室2中發生反應：2CO(g)＋4H2(g)＝CH3OCH3(g)＋H2O (g) △H＝_____。

（3）反應室1中發生反應：CH4(g)＋H2O (g) CO(g)＋3H2(g)。對此反應進行如下研究：T℃時，向容積為2 L的密閉容器中充入一定量的CH4(g)和H2O (g)進行反應，實驗測得反應過程中的部分數據見下表（表中t1＜t2）：

反應時間/min	n(CH4)/mol	n(H2O)/ mol
0	1.20	0.60
t1	0.80
t2		0.20

①反應從開始到t1分鐘時的平均反應速率為v(H2)=_______mol·L-1·min-1。

②若保持其他條件不變，起始時向容器中充入0.60 mol CH4和1.20 mol H2O，反應一段時間后，測得容器中H2的物質的量為0.60 mol，則此時v正______v逆（填“>”、“<”或“=”）。

③若上述反應改變某一條件，測得H2的物質的量隨時間變化見圖中曲線B（A為原反應的曲線），則改變的條件可能是_________。

（4）以反應室1出來的CO和H2為燃料，一定比例Li2CO3和Na2CO3低熔混合物為電解質構成的一種碳酸鹽燃料電池如右上圖所示。

①該電池的正極反應式為_____。

②若電路中流過4 mol電子，則理論上消耗CO和H2的總體積為________L（標準狀況）。

Answer 1

【答案】△H<0 －211kJ/mol 0.6/t1 ＞ 減小壓強或及時分離出CO O2＋2CO2＋4e－＝2CO32－ 44.8 L

【解析】

（1）CO(g)＋2H2(g)＝CH3OH(g)的△S<0，由一定條件下能自發進行可知△G=△H-T△S<0，則△H<0，故答案為：△H<0。

（2）根據蓋斯定律，通過①+③×2-②可得反應2CO(g)＋4H2(g)＝CH3OCH3(g)＋H2O(g)的△H＝(－566kJ·mol-1)+2×(－484kJ·mol-1)－(－1323kJ·mol-1)=－211kJ/mol，故答案為：－211kJ/mol。

（3）①由于在t1分鐘內v(CH4)=Δc/Δt==0.2/t1 mol·L-1·min-1，根據各物質的反應速率之比等于化學方程式中各物質的化學計量數之比可知：v(H2)=3v(CH4)=0.6/t1mol·L-1·min-1，故答案為：0.6/t1。

②CH4和H2O按物質的量比1:1反應，充入1.2molCH4和0.6molH2O與充入0.6molCH4和1.2molH2O，平衡時生成物的濃度對應相同，t1分鐘時，n(CH4)=0.8mol，n(H2O)=0.6mol-0.4mol=0.2mol，t2分鐘時，n(H2O)=0.2mol，說明t1分鐘時反應已經達到平衡狀態。

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始（mol/L） 0.6 0.3 0 0

轉化（mol/L） 0.2 0.2 0.2 0.6

平衡（mol/L） 0.4 0.1 0.2 0.6

平衡常數K===1.08

充入0.6molCH4和1.2molH2O，反應一段時間后，測得容器中H2的物質的量為0.60mol，

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始（mol/L） 0.3 0.6 0 0

轉化（mol/L） 0.1 0.1 0.1 0.3

一段時間后（mol/L） 0.2 0.5 0.1 0.3

Qc===0.027，由于K＞Qc，此時向正反應方向進行，v正＞v逆，故答案為：＞。

③根據圖像可知，改變某一條件，H2的物質的量增大，達到平衡所需的時間變長，故平衡向正反應方向進行，所以可以采取減小壓強或及時分離出CO的措施，故答案為：減小壓強或及時分離出CO。

（4）①碳酸鹽燃料電池中通氧氣的電極一定為正極，通入燃料的電極一定為負極，氧氣在該電極上發生還原反應，電極方程式為：2CO2+O2+4e-=2CO32-，故答案為：2CO2+O2+4e-=2CO32-。

②根據圖示，碳酸鹽燃料電池總的電極方程式為：H2+CO+O2=CO2+H2O，若電路中流過4mol電子，則理論上消耗CO和H2的物質的量為2mol，標準狀況下總體積為2mol×22.4L/mol=44.8L，故答案為：44.8L。