Question

5．甲醇是一種重要的化工原料，在生產中有著重要的應用，工業上用甲烷氧化法合成甲醇的反應有：
（Ⅰ）CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3kJ•mol^-1
（Ⅱ）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1J•mol^-1
（Ⅲ）2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1

（1）用CH₄和O₂直接制備甲醇蒸氣的熱化學方程式為2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H=-251.6kJ•mol^-1
（2）某溫度下，向4L橫溶密閉容器中通入6molCO₂和6molCH₄，發生反應（i），平衡體系中各組分的體積分數均為$\frac{1}{4}$，則此溫度下該反應的平衡常數K=1
（3）工業上鄂通過甲醇羥基化法制取甲酸甲酯，其反應的熱化學方程式為：
CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCO（個）△H=-29.1J•mol^-1
科研人員對該反應進行了研究，部分研究結果如下：如圖1所示
①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率”看，工業制取甲酸甲酯應選擇的壓強是4.0×10⁶Pa（填“3.5×10⁶Pa”“4.0×10⁶Pa”或“5.0×10⁶Pa”）
②實際工業生產中采用的溫度是80℃，期理由是高于80℃時，溫度對反應速率影響較小，且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低
（4）直接甲醇燃料電池（簡稱DMFC）由于其結構簡單、能量轉化率高、對環境無污染，可作為常規能源的替代品而越來越受到關注，DMFC的工作原理如圖2所示：
①通入a氣體的電解是電池的負（填“正”或“負”）極
②常溫下，用此電池乙惰性電極電解0.5L飽和食鹽水（足量），若兩極共生產氣體1.12L（已折算為標準狀況下的體積），則電解后溶液的pH為13（忽略溶液的體積變化）

Answer 1

分析 （1）（Ⅰ）CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3kJ•mol^-1
（Ⅱ）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1
（Ⅲ）2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
由（Ⅰ）×2+（Ⅱ）×2+（Ⅲ）可書寫熱化學方程式；
（2）根據平衡體系中各組分的體積分數均為$\frac{1}{4}$，利用三段式計算出平衡時各組分的含量，計算平衡常數；
（3）①依據轉化率曲線分析判斷；
②圖象分析速率隨溫度變化的趨勢分析回答；
（4）①根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發生氧化反應；
②根據電解池的工作原理和電極方程式來計算．

解答 解：（1）根據（Ⅰ）CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3kJ•mol^-1
（Ⅱ）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1
（Ⅲ）2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
由（Ⅰ）×2+（Ⅱ）×2+（Ⅲ）得2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H，故△H=2△H₁+2△H₂+△H₃=（+247.3kJ•mol^-1）×2+（-90.1kJ•mol^-1）×2+（-566.0kJ•mol^-1）=-251.6kJ•mol^-1，所以用CH₄和O₂直接制備甲醇蒸氣的熱化學方程式為2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H=-251.6kJ•mol^-1，
故答案為：2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H=-251.6kJ•mol^-1；
（2）CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）
起始（mol） 6        6         0       0
變化（mol） x        x         2x      2x
平衡（mol）6-x       6-x       2x      2x
平衡體系中各組分的體積分數均為$\frac{1}{4}$，所以6-x=2x，解得x=2，
則此溫度下該反應的平衡常數X=$\frac{c{\;}^{2}（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}{c（CH{\;}_{4}）•c（CO{\;}_{2}）}$=$\frac{1{\;}^{2}×1{\;}^{2}}{1×1}$=1，
故答案為：1；
（3）①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率“看，圖象中轉化率變化最大的是4.0×10⁶Pa，故答案為：4.0×10⁶Pa；
②依據圖象分析溫度在高于80°C對反應速率影響不大，反應是放熱反應，溫度過高，平衡逆向進行，不利于轉化率增大，
故答案為：高于80℃時，溫度對反應速率影響較小，且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低；
（4）①根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發生氧化反應，負極反應式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負；
②用此電池以惰性電極電解飽和食鹽水的電極反應為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，當兩極共收集到標準狀況下的氣體1.12L（0.05mol）時，則生成氫氧化鈉的物質的量是0.05mol，所以C_OH-=$\frac{0.05mol}{0.5L}$=0.1mol/L，所以PH=13，故答案為：13．

點評 本題考查較為綜合，涉及了蓋斯定律的應用、熱化學方程式的計算書寫、化學平衡的計算、圖象分析判斷以及電化學的知識等，注意把握蓋斯定律的運用，掌握原電池的工作原理，題目難度中等．