Question

16．甲醇是重要的化工原料，氣態甲醇催化脫氫制備甲醛轉化的能量關系如圖所示．
（1）甲醇脫氫轉化為甲醛是吸熱反應，（填“放熱”或“吸熱”），過程Ⅰ與過程Ⅱ的反應熱相同（填“相同”或“不同”），E₄-E₃的含義是降低的活化能值．
（2）工業上用甲烷氧化法合成甲醇的反應有：
①CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
用CH₄和0₂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．
（3）甲醇可用于制備綠色堿性燃料電池，既可提高能源利用率，又利于分環境保護．甲醇、KOH溶液、空氣構成的燃料電池工作時負極的電極反應式為CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
（4）用此電池作電源進行模擬工業上精煉銅，則應用粗銅（含Fe、Zn、Ag、Au等雜質）作電解池的陽極，該電極發生反應的電極反應為Cu-2e^-=Cu²⁺，若陰極增重19.2g，則理論上需要甲醇3.2g．

Answer 1

分析 （1）反應物的總能量比生成物的總能量低，為吸熱反應，反之為放熱反應，通過比較反應物和生成物的總能量的角度來得出反應吸熱；反應熱取決于反應物和生成物的總能量的大小，與起始狀態和反應的最終狀態有關，而與反應的途徑無關；E₄-E₃為降低了反應的活化能值；
（2）已知：（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
根據蓋斯定律，i×2+2×ii+iii可得：2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）；
（3）原電池負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；
（4）電解法精煉銅時，粗銅作陽極，與電源的正極相連，主要反應為銅失去電子，純銅作陰極，與電源的負極相連；若用該電池電解精煉銅，依據串聯電路中各個電極轉移電子數相同，依據電子守恒計算理論上需要甲醇的質量．

解答 解：（1）通過圖象可以看出，反應物的總能量比生成物的總能量低，故為吸熱反應，一個化學反應的熱效應僅與反應的起始狀態和反應的最終狀態有關，與反應的途徑無關，僅取決于反應物和生成物的總能量的大小，過程Ⅰ與過程Ⅱ的反應熱是相同的，過程Ⅱ與過程Ⅰ比較活化能減小，E₄-E₃為降低了反應的活化能值，
故答案為：吸熱；相同；降低的活化能值；
（2）已知：（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
根據蓋斯定律，i×2+2×ii+iii可得：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；
（3）原電池負極發生氧化反應，甲醇在負極失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負極電極反應式為：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，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：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（4）電解精煉銅時，粗銅應作陽極，電解池的陰極材料是純銅，陽極主要電極反應為：Cu-2e^-=Cu²⁺，電極反應為：Cu²⁺+2e^-=Cu，Fe、Zn比Cu活潑，故Fe、Zn在陽極比Cu更容易失去電子，變成Fe²⁺、Zn²⁺進入溶液；在陰極，Fe²⁺、Zn²⁺比Cu²⁺難于得到電子，因此不能在陰極析出，最終留在溶液中，Cu比Ag、Au活潑，故Ag、Au在陽極比Cu難于失去電子，因此不能溶解進入溶液，最終以陽極泥的形式沉淀出來，所以電解精煉銅，陰極電極反應為：Cu²⁺+2e^-=Cu，每轉移2mol電子，析出64g銅，所以陰極質量增重19.2g時，轉移電子數為：$\frac{19.2g}{64g/mol}$×2=0.6mol，電池與電解池為串聯，所以當電解池中轉移0.6mol電子，電池中轉移電子數為0.6mol，依據CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O可知需0.1mol甲醇，質量為m=nM=0.1mol×32g/mol=3.2g，
故答案為：3.2．

點評 本題主要考查了反應中能量的變化、熱化學方程式的書寫、電解池工作原理及相關計算，理清甲醇和氫氣的熱量關系、熟悉原電池、電解池工作原理及各個電極發生反應是解答本題的關鍵，題目難度中等．