Question

甲醇是重要的化工原料，在工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用十分廣泛．
（1）利用太陽能或生物質(zhì)能分解水制H₂，然后可將H₂與CO₂轉(zhuǎn)化為甲醇．已知：光催化制氫：2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g）△H=+571.5kJ/mol；H₂與CO₂耦合反應(yīng)：3H₂（g）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-137.8kJ/mol；則反應(yīng)：2H₂O（l）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）的△H=

 

kJ/mol．
你認(rèn)為該方法需要解決的技術(shù)問題有

 

（填字母）．
a．開發(fā)高效光催化劑
b．將光催化制取的H₂從反應(yīng)體系中有效分離，并與CO₂耦合催化轉(zhuǎn)化
c．二氧化碳及水資源的來源供應(yīng)
（2）工業(yè)上由甲醇制取甲醛的兩種方法如下（有關(guān)數(shù)據(jù)均為在298K時(shí)測定）：
反應(yīng)I：CH₃OH（g）═HCHO（g）+H₂（g）△H₁=+92.09kJ/mol，K₁=3.92×10^-11．
反應(yīng)Ⅱ：CH₃OH（g）+

1

2

O₂（g）═HCHO（g）+H₂O（g）△H₂=-149.73kJ/mol，K₂=4.35×10²⁹．
①從原子利用率看，反應(yīng)

 

（填“I”或“Ⅱ”．下同）制甲醛的原子利用率更高．從反應(yīng)的焓變和平衡常數(shù)K值看，反應(yīng)

 

制甲醛更有利．
②圖1是甲醇制甲醛有關(guān)反應(yīng)的lgK（平衡常數(shù)的對數(shù)值）隨溫度T的變化．圖中曲線（1）表示的是反應(yīng)

 

．
（3）污水中的含氮化合物，通常先用生物膜脫氮工藝進(jìn)行處理，在硝化細(xì)菌的作用下將NH₄⁺氧化為NO₃^-（2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺；2HNO₂+O₂═2HNO₃）．然后加入甲醇，甲醇和NO₃^-反應(yīng)轉(zhuǎn)化為兩種無毒氣體．
①上述方法中，1g銨態(tài)氮元素轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮元素時(shí)需氧的質(zhì)量為

 

g．
②寫出加入甲醇后反應(yīng)的離子方程式：

 

．
（4）甲醇燃料電池的工作原理如圖2所示，則該電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為

 

．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的調(diào)控作用,反應(yīng)熱和焓變,常見化學(xué)電源的種類及其工作原理,化學(xué)平衡的影響因素

專題：化學(xué)反應(yīng)中的能量變化,化學(xué)平衡專題

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律，結(jié)合已知熱化學(xué)方程式，計(jì)算求解；根據(jù)所以發(fā)生反應(yīng)需要的條件可知需要解決的技術(shù)問題有：開發(fā)高效光催化劑；將光催化制取的氫從反應(yīng)體系中有效分離，并與CO₂催化轉(zhuǎn)化；
（2）①根據(jù)原子利用率表示目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量與生成物總質(zhì)量之比來比較；根據(jù)平衡常數(shù)越大越有利于反應(yīng)的進(jìn)行；
②根據(jù)溫度對平衡常數(shù)的影響；
（3）①依據(jù)2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺；2HNO₂+O₂═2HNO₃，定量關(guān)系計(jì)算需要氧氣的量；
②酸性條件下，甲醇和硝酸根反應(yīng)生成兩種兩種無毒氣體，這兩種氣體是二氧化碳和氮?dú)猓�根�?jù)反應(yīng)物和生成物寫出離子方程式；
（4）負(fù)極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧化劑得電子發(fā)生還原反應(yīng)；

解答： 解：（1）光催化制氫：①2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g）△H=+571.5kJ?mol^-1
H₂與CO₂耦合反應(yīng)：②3H₂（g）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-137.8kJ?mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，把①×3+②×2得方程4H₂O（l）+2CO₂（g）→2CH₃OH（l）+3O₂（g）△H=571.5×3+（-137.8）×2=1438.9kJ?mol^-1；
則反應(yīng)：2H₂O（l）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）的△H=718.9KJ/mol
根據(jù)所以發(fā)生反應(yīng)需要的條件可知需要解決的技術(shù)問題有：開發(fā)高效光催化劑；將光催化制取的氫從反應(yīng)體系中有效分離，并與CO₂催化轉(zhuǎn)化，二氧化碳和水供應(yīng)充足，不用考慮；
故答案為：719.5；ab；
（2）①因原子利用率表示目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量與生成物總質(zhì)量之比，反應(yīng)I的原子利用率為

30

32

×100%=93.7%，反應(yīng)II的原子利用率為

30

48

×100%=62.5%；平衡常數(shù)越大越有利于反應(yīng)的進(jìn)行；故答案為：I；II；  
②因溫度升高，反應(yīng)I向正向移動(dòng)，平衡常數(shù)增大，反應(yīng)II逆向移動(dòng)，平衡常數(shù)減小，故答案為：II；
（3）①2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺；2HNO₂+O₂═2HNO₃，
2N～2NH₄⁺+～4O₂～2HNO₃，
28          4×32
1g            m
m=4.57g
1g銨態(tài)氮元素轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮元素時(shí)需氧的質(zhì)量為4.57g；
故答案為：4.57；
②酸性條件下，甲醇和硝酸根反應(yīng)生成氮?dú)狻⒍�氧化碳和水，離子方程式為：6NO₃^-+5CH₃OH+6H⁺═3N₂+5CO₂+13H₂O；
故答案為：6NO₃^-+5CH₃OH+6H⁺═3N₂+5CO₂+13H₂O；
（4）負(fù)極上甲醇失電子和水反應(yīng)生成二氧化碳和氫離子，電極反應(yīng)式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺；

點(diǎn)評：本題考查了熱化學(xué)方程式和離子方程式定量計(jì)算，原電池原理的應(yīng)用，化學(xué)平衡常數(shù)影響因素圖象分析是解題關(guān)鍵，題目難度中等．