Question

20．甲醇是一種重要的化工原料，在生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用．工業(yè)上用甲烷氧化法合成甲醇的反應(yīng)有：
（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
（1）用CH₄和O₂直接制備甲醇蒸氣的熱化學(xué)方程式為2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H=-251.6kJ•mol^-1．
（2）某溫度下，向4L恒容密閉容器中通人6mol CO₂和6mol CH₄，發(fā)生反應(yīng)（ii），平衡體系中各組分的體積分?jǐn)?shù)均為$\frac{1}{4}$，則此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=1．
（3）工業(yè)上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：CHOH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）△H=-29.1kJ•mol^-1
科研人員對(duì)該反應(yīng)進(jìn)行了研究，部分研究結(jié)果如圖1：

①?gòu)姆磻?yīng)壓強(qiáng)對(duì)甲醇轉(zhuǎn)化率的影響“效率”看，工業(yè)制取甲酸甲酯應(yīng)選擇的壓強(qiáng)是4.0×10⁶Pa（填“3.5x l0⁶Pa”“4.0xl0⁶ Pa“或“5.0xl0⁶ Pa”）．
②實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃，其理由是高于80時(shí)，溫度對(duì)反應(yīng)速率影響較小，又因反應(yīng)放熱，升高溫度時(shí)平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率降低．
（4）直接甲醇燃料電池（簡(jiǎn)稱DMFC）由于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、能量轉(zhuǎn)化率高、對(duì)環(huán)境無污染，可作為常規(guī)能源的替代品而越來越受到關(guān)注．DMFC的工作原理如圖2所示：
①通入a氣體的電極是電池的負(fù)（填“正”或“負(fù)”）極，其電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②常溫下，用此電池以惰性電極電解0.5L飽和食鹽水（足量），若兩極共生成氣體1.12L（已折算為標(biāo)準(zhǔn)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）根據(jù)蓋斯定律計(jì)算書寫熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)平衡體系中各組分的體積分?jǐn)?shù)均為$\frac{1}{4}$，利用三段式計(jì)算出平衡時(shí)各組分的含量，計(jì)算平衡常數(shù)；
（3）①依據(jù)轉(zhuǎn)化率曲線分析判斷；
②圖象分析速率隨溫度變化的趨勢(shì)分析回答；
（4）①根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動(dòng)方向知，通入a的電極為負(fù)極、通入b的電極為正極，負(fù)極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)；
②根據(jù)電池反應(yīng)為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，結(jié)合兩極生成氣體體積計(jì)算．

解答 解：（1）根據(jù)（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(xué)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?jǐn)?shù)均為$\frac{1}{4}$，所以6-x=2x，解得x=2，
則此溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)X=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（C{O}_{2}）}$=$\frac{{1}^{2}×{1}^{2}}{1×1}$=1，
故答案為：1；
（3）①?gòu)姆磻?yīng)壓強(qiáng)對(duì)甲醇轉(zhuǎn)化率的影響“效率“看，圖象中轉(zhuǎn)化率變化最大的是4.0×10⁶Pa，
故答案為：4.0×10⁶Pa；
②依據(jù)圖象分析溫度在高于80°C對(duì)反應(yīng)速率影響不大，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度過高，平衡逆向進(jìn)行，不利于轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：高于80時(shí)，溫度對(duì)反應(yīng)速率影響較小，又因反應(yīng)放熱，升高溫度時(shí)平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率降低；
（4）①根據(jù)圖知，交換膜是質(zhì)子交換膜，則電解質(zhì)溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動(dòng)方向知，通入a的電極為負(fù)極、通入b的電極為正極，負(fù)極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，負(fù)極反應(yīng)式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負(fù)；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②用此電池以惰性電極電解飽和食鹽水的電池反應(yīng)為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，當(dāng)兩極共收集到標(biāo)準(zhǔn)狀況下的氣體1.12L（0.05mol）時(shí)，則生成氫氧化鈉的物質(zhì)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(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、熱化學(xué)方程式的計(jì)算書寫、化學(xué)平衡的計(jì)算、圖象分析判斷以及電化學(xué)的知識(shí)等，注意掌握基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，題目難度中等．