Question

9．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：
ⅠCH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3kJ•mol^-1
ⅡCO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1
Ⅱ2CO（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恒容密閉容器中通入6mol CO₂和6mol CH₄，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，CH₄的轉化率為33.3%．
（3）工業上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反應的熱化學方程式為：CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）
  科研人員對該反應進行了研究，部分研究結果如下：

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．O×10⁶Pa“或“5.0×10⁶Pa”）．
②實際工業生產中采用的溫度是80℃，其理由是高于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）鎂燃料電池在可移動電子設備電源和備用電源等方面應用前景廣闊．圖3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．
①E為該燃料電池的負極（填“正”或“負”）．F電極上的電極反應式為ClO^-+2e^-+H₂O═Cl^-+2OH^-．
②鎂燃料電池負極容易發生自腐蝕產生氫氣，使負極利用率降低，用化學用語解釋其原因Mg+2H₂O═Mg（OH）₂+H₂↑．
（5）乙醛酸（HOOC-CHO）是有機合成的重要中間體．工業上用“雙極室成對電解法”生產乙醛酸，原理如圖4所示，該裝置中陰、陽兩極為惰性電極，兩級室均可產生乙醛酸，其中乙二醛與M電極的產物反應生成乙醛酸．
①N電極上的電極反應式為HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O．
②若有2molH⁺通過質子交換膜，并完全參與了反應，則該裝置中生成的乙醛酸為2mol．
（6）常溫下用惰性電極電解200mLNaCl、CuSO₄的混合溶液，所得氣體的體積隨時間變化如圖5所示，根據圖5中信息回答下列問題．（ 氣體體積已換算成標準狀況下的體積，且忽略氣體在水中的溶解和溶液體積的變化）
①曲線II （填Ⅰ或Ⅱ）表示陽極產生氣體的變化；
②NaCl的物質的量濃度為0.1mol/L．CuSO₄的物質的量濃度為0.1mol/L．
③t₂時所得溶液的pH為1．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律將（Ⅰ）×2+（Ⅱ）×2+（Ⅲ）計算書寫熱化學方程式；
（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，計算平衡常數和轉化率；
（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原電池中失電子的為負極；正極上ClO^-得電子生成氯離子；②Mg的活潑性較強能與水反應生成氫氣；
（5）①N電極上HOOC-COOH得電子生成HOOC-CHO；②2mol H⁺通過質子交換膜，則電池中轉移2mol電子，根據電極方程式計算；
（6）本題的關健是對圖象的解讀．剛開始時陰極Cu²⁺得電子，無氣體放出，Cu²⁺反應完溶液中的H⁺放電，Ⅰ是H₂，陽極先是溶液中的Cl^-放電，反應完后溶液中的OH^-放電，電解200mL一定濃度的NaCl與CuSO₄混合溶液，陽極發生2Cl^--2e^-=Cl₂↑、4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極發生Cu²⁺+2e^-=Cu、2H⁺+2e^-=H₂↑，結合圖可知，Ⅰ為陰極氣體體積與時間的關系，Ⅱ為陽極氣體體積與時間的關系，計算時抓住電子守恒．

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K=$\frac{{c}^{2}（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（C{O}_{2}）}=\frac{{1}^{2}×{1}^{2}}{1×1}$=1，
CH₄的轉化率為$\frac{2}{6}$=33.3%，故答案為：1；33.3%；
（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“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^-；
②Mg的活潑性較強能與水反應生成氫氣，其反應為：Mg+2H₂O═Mg（OH）₂+H₂↑，故答案為：Mg+2H₂O═Mg（OH）₂+H₂↑；
（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；
②2mol H⁺通過質子交換膜，則電池中轉移2mol電子，根據電極方程式HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O，可知生成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；
（6）①電解200mL一定濃度的NaCl與CuSO₄混合溶液，陽極發生2Cl^--2e^-=Cl₂↑、4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，陰極發生Cu²⁺+2e^-=Cu、2H⁺+2e^-=H₂↑，所以陽極上先產生氣體，曲線Ⅱ表示陽極產生氣體的變化，故答案為：Ⅱ；
②結合圖可知，Ⅰ為陰極氣體體積與時間的關系，Ⅱ為陽極氣體體積與時間的關系①由圖可知，產生氯氣為224mL，則由2Cl^--2e^-=Cl₂↑可知，n（NaCl）=$\frac{0.224L}{22.4L/mol}$×2=0.02mol，所以c（NaCl）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，
由t₂時生成氧氣為112mL，n（O₂）=$\frac{0.112L}{22.4L/mol}$=0.005mol，則共轉移電子為0.02mol+0.005mol×4=0.04mol，
根據電子守恒及Cu²⁺+2e^-=Cu可知，n（CuSO₄）=$\frac{0.04mol}{2}$=0.02mol，所以c（CuSO₄）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，
故答案為：0.1mol/L；0.1mol/L；
③由t₂時4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O～4H⁺，n（H⁺）=0.005mol×4=0.02mol，則溶液的c（H⁺）=$\frac{0.02mol}{0.2L}$=0.1mol/L，pH=1，故答案為：1．

點評 本題考查了蓋斯定律的應用、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，注意掌握基礎知識的掌握，題目難度中等．