Question

甲醇是一種很好的燃料，被稱為21世紀的新型燃料．
工業上可通過H₂和CO化合制備甲醇，該反應的熱化學方程式為：
CO（g）+2H₂（g） CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?molˉ¹
（1）已知：CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ?molˉ¹
           H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O （g）△H₃=-242kJ?molˉ¹
1mol甲醇燃燒生成CO₂和水蒸氣放出

651

kJ的熱量．
（2）在壓強為0.1MPa條件下，將a mol CO與 3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下在VL容器中制備甲醇．
①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是

BD

．
A．升高溫度                    B．將CH₃OH（g）從體系中分離
C．充入He，使體系總壓強增大   D．再充入1mol CO和3mol H₂
②為了尋找合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，某同學設計了三組實驗，部分實驗條件已經填在下面實驗設計表中．

實驗編號	T（℃）	n（CO）/n（H2）	P（MPa）
1	150	1/3	0.1
2	a	1/3	5
3	350	b	5

A．則上表中剩余的實驗條件數據：a=

150

、b=

1/3

．
B．根據反應特點，右上圖是在壓強分別為0.1MPa和5MPa下CO的轉化率隨溫度變化的曲線圖，請指明圖中的壓強P₁=

0.1

MPa．
③100℃時，CH₃OH（g） CO（g）+2H₂（g）反應的平衡常數為

4a2

V2

（用含a、V的代數式表示）．
（3）科學家預言，燃料電池將是21世紀獲得電力的重要途徑，而甲醇燃料電池具備甲醇燃料容易攜帶、容易存儲等優點，目前被認為將會替代傳統的電池成為攜帶型設備的主要電源．右圖是甲醇的質子交換膜型燃料電池模型．寫出其電極反應式
正極：

3O₂+12e^-+12H⁺→6H₂O

負極：

2CH₄O-12e^-+2H₂O→12H⁺+2CO₂

．

Answer 1

分析：（1）根據已知反應和目標反應，利用蓋斯定律來計算反應熱；
（2）①反應CO（g）+2H₂（g） CH₃OH（g）向正向移動，則可增加甲醇產率；
②由圖可知，橫坐標為溫度，縱坐標為CO的轉化率，P₁、P₂為兩種不同的壓強，以此來分析實驗數據；
③化學平衡常數為生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比；
（3）由甲醇的質子交換膜型燃料電池模型圖可知，負極甲醇參與反應，正極氧氣參與反應，且H⁺能通過交換膜，以此來書寫電極反應式．

解答：解：（1）由①CO（g）+2H₂（g） CH₃OH（g）△H₁=-116kJ?mol^-1，
②CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H₂=-283kJ?mol^-1，
③H₂（g）+

1

2

O₂（g）=H₂O （g）△H₃=-242kJ?mol^-1，
根據蓋斯定律可知，②+③×2-①可得CH₃OH（g）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O （g），
則△H=（-283kJ?mol^-1）+（-242kJ?mol^-1）×2-（-116kJ?mol^-1）=-651kJ?mol^-1，
即1mol甲醇燃燒生成CO₂和水蒸氣放出651kJ的熱量，故答案為：651；
（2）①對于CO+2H₂ CH₃OH，為放熱反應，
A．升高溫度，化學平衡逆向移動，則甲醇的產率降低，故A錯誤；                    
B．將CH₃OH（g）從體系中分離，能使反應正向移動，甲醇的產率增大，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強增大，容積不變，則反應體系中各物質的濃度不變，化學平衡不移動，產率不變，故C錯誤；
D．再充入1molCO和3molH₂，反應物的濃度增大，反應正向移動，甲醇的產率增大，故D正確；
故答案為：BD；
 ②A．因圖中橫坐標為溫度，縱坐標為CO的轉化率，P₁、P₂為兩種不同的壓強，則實驗中n（CO）/n（H₂）相同，即b=1/3，為便于比較，則實驗1和實驗2的溫度應相同，壓強不同，即a=150，故答案為；150；1/3；
B．由圖可知，相同溫度時，P₁對應的CO的轉化率降低，則P₁為0.1MPa，故答案為：0.1；
③100℃時，CO的轉化率為0.5，則
     CO+2H₂ CH₃OH，
開始 a  3a             0
轉化0.5a  a            0.5a
平衡0.5a  2a            0.5a
則K=

0.5a V

0.5a V × (2a)2 V2

=

V2

4a2

，
與CH₃OH（g） CO（g）+2H₂（g）互為逆反應，
則化學平衡常數互為倒數，即100℃時，CH₃OH（g） CO（g）+2H₂（g）反應的平衡常數為為

4a2

V2

，
故答案為：

4a2

V2

；
（3）由甲醇的質子交換膜型燃料電池模型圖可知，負極甲醇參與反應，正極氧氣參與反應，且H⁺能通過交換膜，
則正極反應式為3O₂+12e^-+12H⁺→6H₂O，負極反應式為2CH₄O-12e^-+2H₂O→12H⁺+2CO₂，
故答案為：3O₂+12e^-+12H⁺→6H₂O；2CH₄O-12e^-+2H₂O→12H⁺+2CO₂．

點評：本題綜合性較強，難度較大，注重了對化學反應與能量、化學平衡及平衡計算、電化學等高考考點的考查，對學生能力的要求較高，（2）是學生解答的易錯點，體現學生分析問題、解答問題的能力．