Question

12．水煤氣法制甲醇工藝流程框圖如下：

 （注：除去水蒸氣后的水煤氣含55～59%的H₂，15～18%的CO，11～13%的CO₂，少量的H₂S、CH₄，除去H₂S后，可采用催化或非催化轉化技術，將CH₄轉化成CO，得到CO、CO₂和H₂的混合氣體，是理想的合成甲醇原料氣，即可進行甲醇合成）
（1）將CH₄轉化成CO，工業上常采用催化轉化技術，其反應原理為：
CH₄ （g）+$\frac{3}{2}$O₂ （g）?CO（g）+2H₂O （g）△H=-519KJ•mol^-1．工業上要選擇合適的催化劑，分別對X、Y、Z三種催化劑進行如下實驗（其他條件相同）
①X在T₁℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×10⁵倍；
②Y在T₂℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×10⁵倍；
③Z在T₃℃時催化效率最高，能使逆反應速率加快約1×10⁶倍；
已知：T₁＞T₂＞T₃，根據上述信息，你認為在生產中應該選擇的適宜催化劑是Z（填“X”或“Y”或“Z”），選擇的理由是催化活性高、速度快、反應溫度較低．
（2）合成氣經壓縮升溫后進入10m³甲醇合成塔，在催化劑作用下，進行甲醇合成，主要反應是：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-181.6kJ•mol^-1．T₄℃下此反應的平衡常數為160．此溫度下，在密閉容器中加入CO、H₂，反應到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質	H2	CO	CH3OH
濃度/（mol•L-1）	0.2	0.1	0.4

①比較此時正、逆反應速率的大小：v_正＞v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入同樣多的CO、H₂，在T₅℃反應，10 min后達到平衡，此時c（H₂）=0.4 mol•L^-1，則該時間內反應速率v（CH₃OH）=0.03mol•（L•min）^-1．
（3）生產過程中，合成氣要進行循環，其目的是提高原料CO、H₂的利用率（或提高產量、產率亦可）；．
（4）下圖1為“鎂-次氯酸鹽”燃料電池原理示意圖，電極為鎂合金和鉑合金．

E為該燃料電池的負極極（填“正”或“負”）．F電極上的電極反應式為ClO^-+2e^-+H₂O═Cl^-+2OH^-．
（5）乙醛酸（HOOC-CHO）是有機合成的重要中間體．工業上用“雙極室成對電極室均可產生乙醛酸，其中乙二醛與M電極的產物反應生成乙醛酸．
①在N電極上乙二酸生成乙醛酸的電極反應式為HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O．
②若有2molH⁺通過質子交換膜完全參與反應，則生成的乙醛酸為2mol．

Answer 1

分析 （1）該反應正反應為放熱反應，應選擇催化活性高、速度快、反應溫度較低；
（2）①計算此時的濃度商Qc，與平衡常數比較，判斷反應進行的方向，進而判斷正、逆反應速率的相對大小；
②與表中數據相比，根據氫氣濃度變化量計算甲醇的濃度變化量，進而計算平衡時甲醇的濃度，再根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₃OH）；
（3）合成氣進行循環，可以提高原料利用率及生成物的產率；
（4）原電池中失電子的為負極；正極上ClO^-得電子生成氯離子；
（5）①N電極上HOOC-COOH得電子，再氫離子參與反應條件下生成HOOC-CHO；
②2mol H⁺通過質子交換膜，則電池中轉移2mol電子，N極電極反應式為：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O，M極電極反應式為：OHC-CHO-2e^-+H₂O═HOOC-CHO+2H⁺，兩極均有乙醛酸，再結合電極方程式計算．

解答 解：（1）該反應正反應為放熱反應，應選擇催化活性高、速度快、反應溫度較低，故選擇Z，
故答案為：Z；催化活性高、速度快、反應溫度較低；
（2）①由表中數據可知，10min時氫氣的濃度為0.2mol/L、CO的濃度為0.1mol/L、甲醇的濃度為0.4mol/L，則此時的濃度商Qc=$\frac{0.4}{0．{2}^{2}×0.1}$=100，小于平衡常數160，故反應向正反應方向進行，故V_正＞V_逆，故答案為：＞；
②若加入同樣多的CO、H₂，在T₅℃反應，10 min后達到平衡，此時c（H₂）=0.4 mol•L^-1，與表中數據相比，可知氫氣的濃度變化量為0.4mol/L-0.2mol/L=0.2mol/L，故甲醇的濃度變化量為0.2mol/L×$\frac{1}{2}$=0.1mol/L，即平衡時甲醇為0.4mol/L-0.3mol/L，故v（CH₃OH）=$\frac{0.3mol/L}{10min}$=0.03mol/（L•min），
故答案為：0.03；
（3）生產過程中，合成氣要進行循環，提高原料CO、H₂的利用率，
故答案為：提高原料CO、H₂的利用率（或提高產量、產率亦可）；
（4）“鎂-次氯酸鹽”燃料電池中失電子的為負極，則Mg為負極；正極上ClO^-得電子生成氯離子，則正極的電極反應式為：ClO^-+2e^-+H₂O═Cl^-+2OH^-；
故答案為：負；ClO^-+2e^-+H₂O═Cl^-+2OH^-；
（5）①N電極上HOOC-COOH得電子生成HOOC-CHO，則電極反應式為：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O，
故答案為：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O；
②N極電極反應式為：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O，M極電極反應式為：OHC-CHO-2e^-+H₂O═HOOC-CHO+2H⁺，2mol H⁺通過質子交換膜，則電池中轉移2mol電子，可知每一極生成1mol乙醛酸，由于兩極均有乙醛酸生成所以生成的乙醛酸為2mol．
故答案為：2．

點評 本題考查化學平衡計算、原電池原理和電解池原理，是對學生綜合能力的考查，（5）中乙醛酸的計算為易錯點，學生容易忽略兩極都生成乙醛酸，題目難度中等．