Question

運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)原理分析解答以下問(wèn)題．
（1）以CH₄和H₂O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如下：

已知：CH₄ （g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂ （g）△H₁═+247.4kJ?mol^-1
CH4 （g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H₂+165.0kJ?mol^-1
①CH₄（g）與H₂O （g）反應(yīng)生成CO（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為

 

．
②反應(yīng)室3（容積為VL）中a mol CO與2a mol H₂在催化劑作用下反應(yīng)生成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示，則：P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”）．在P₁壓強(qiáng)下，100℃時(shí)，反應(yīng)：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為

 

．（用含a、V的代數(shù)式表示）．
③保持溫度和容積一定，反應(yīng)室3再增加a mol CO與2a mol H₂，達(dá)到新平衡時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率

 

．（填“增大”、“減小”或“不變”）
（2）甲醇是新能源電池的燃料，但它對(duì)水質(zhì)會(huì)造成一定的污染．有一種電化學(xué)法可消除這種污染．其原理是：2滴甲醇，1mL 1.0mol?L^-1硫酸，4mL 0.1mol?L^-1硫酸鈷（CoSO₄）混合溶液，插上兩根惰性電極，通電后，將Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化劑把水中的甲醇氧化成CO₂而凈化．實(shí)驗(yàn)室用如圖2裝置模擬上述過(guò)程：

①檢驗(yàn)電解時(shí)產(chǎn)生的CO₂氣體，井穴板穴孔內(nèi)應(yīng)盛放

 

溶液．
②寫(xiě)出凈化甲醇的離子方程式

 

．
（3）將CH₄設(shè)計(jì)成燃料電池，其利用率更高，裝置如圖3所示（A、B為多孔性石墨棒）．持續(xù)通入甲烷，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗甲烷體積VL．
①0＜V≤44.8L時(shí)，電池負(fù)極電極反應(yīng)為：

 

；
②V=67.2L時(shí)，溶液中離子濃度大小關(guān)系為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)電源新型電池,熱化學(xué)方程式

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）①根據(jù)蓋斯定律計(jì)算化學(xué)反應(yīng)的焓變并書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)方程式；
②根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的影響知識(shí)來(lái)判斷，根據(jù)三行式計(jì)算化學(xué)平衡常數(shù)；
③根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的影響知識(shí)來(lái)判斷；
（2）①檢驗(yàn)二氧化碳應(yīng)用澄清石灰水檢驗(yàn)；
②甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被還原生成Co²⁺．
（3）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根據(jù)甲烷的量計(jì)算生成的二氧化碳的量，結(jié)合反應(yīng)方程式判斷反應(yīng)產(chǎn)物及發(fā)生的反應(yīng)．

解答： 解：（1）①已知：a、CH₄ （g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂ （g）△H₁═+247.4kJ?mol^-1
b、CH4 （g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H₂+165.0kJ?mol^-1
反應(yīng)CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）可以是

1

2

（a+b）得到，所以該反應(yīng)的△H=+206.2 kJ?mol^-1，
故答案為：CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.2 kJ?mol^-1；
②根據(jù)題目反應(yīng)：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）知道，溫度不變，壓強(qiáng)越大，對(duì)應(yīng)的CO的轉(zhuǎn)化率越大，所以壓強(qiáng)關(guān)系是：P₁＜P₂，在P₁壓強(qiáng)下，100℃時(shí)，反應(yīng)：
           CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
初始濃度：

a

V

       

2a

V

         0
變化濃度：

a

2V

        

a

V

       

a

2V

平衡濃度：

a

2V

        

a

V

         

a

2V

 
        
平衡常數(shù)為

a 2V

a 2V ×( a V )2

=

V2

a2

，所以 CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為

a2

V2

；
故答案為：＜；

a2

V2

；
③保持溫度和容積一定，反應(yīng)室3再增加a mol CO與2a mol H₂，相當(dāng)于增大壓強(qiáng)，平衡右移，達(dá)到新平衡時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故答案為：增大；
（2）①檢驗(yàn)電解時(shí)產(chǎn)生的CO₂氣體，用澄清石灰水檢驗(yàn)二氧化碳的存在，井穴板穴孔內(nèi)應(yīng)盛放澄清石灰水；
故答案為：澄清石灰水或Ca（OH）₂；
②甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被還原生成Co²⁺，溶液呈酸性，則生成物中含有氫離子，所以該反應(yīng)離子方程式為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案為：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6 Co²⁺+6H⁺；
（3）①n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
當(dāng)0＜V≤44.8 L時(shí)，0＜n（CH₄）≤2mol，則0＜n（CO₂）≤2mol，只發(fā)生反應(yīng)①②，且KOH過(guò)量，則電池總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，負(fù)極反應(yīng)為：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②當(dāng)V=67.2 L時(shí)，n（CH₄）=3mol，n（CO₂）=3mol，則電池總反應(yīng)式為3CH₄+6O₂+4KOH=K₂CO₃+2KHCO₃+7H₂O，則得到1molK₂CO₃和2molKHCO₃的溶液，則c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點(diǎn)評(píng)：本題考查了運(yùn)用蓋斯定律計(jì)算焓變、熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、評(píng)價(jià)物質(zhì)合成方案、影響化學(xué)平衡的因素、燃料電池、溶液中離子濃度大小關(guān)系等重要考點(diǎn)，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，綜合性較強(qiáng)，難度較大．