Question

20．據(jù)報道，在西藏凍土的一定深度下，發(fā)現(xiàn)了儲量巨大的“可燃冰”，它主要是甲烷和水形成的水合物（CH₄•nH₂O）．
（1）在常溫常壓下，“可燃冰”會發(fā)生分解反應，其化學方程式是CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O．
（2）甲烷可制成合成氣（CO、H₂），再制成甲醇，代替日益供應緊張的燃油．
①在101KPa時，1.6g CH₄（g）與H₂O（g）反應生成CO、H₂，吸熱20.64kJ．則甲烷與H₂O（g）反應的熱化學方程式：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1．
②CH₄不完全燃燒也可制得合成氣：CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）；
△H=-35.4kJ•mol^-1．則從原料選擇和能源利用角度，比較方法①和②，合成甲醇的適宜方法為②（填序號）；原因是選擇CH₄不完全燃燒，制合成氣體時，放出熱量，同時得到CO：H₂為1：2，能恰好完全反應合成甲醇．
（3）利用合成氣（主要成分為CO、CO₂和H₂）在催化劑作用下合成甲醇，發(fā)生的主要反應如下：
①CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H₁
②CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₂
③CO₂（g）+H₂（g）=CO（g）+H₂O（g）△H₃
回答下列問題：
已知反應①中相關(guān)的化學鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

化學鍵	H-H	C-O	C≡O(shè)	H-O	C-H
E/（kJ•mol-1）	436	343	1 076	465	413

由此計算△H₁=-99kJ•mol^-1，已知△H₂=-58kJ•mol^-1，則△H₃=+41kJ•mol^-1．
（4）可燃冰中CH₄的其它用途是，將CH₄設(shè)計成燃料電池，其利用率更高，裝置示意圖（A、B為多孔性碳棒）．持續(xù)通人甲烷，在標準狀況下，消耗甲烷體積VL．
①O＜V≤44.8L時，電池總反應方程式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
②44.8L＜V≤89.6L時，負極電極反應為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-．

Answer 1

分析 （1）在常溫常壓下，“可燃冰”會發(fā)生分解反應生成甲烷與水；
（2）①在101kPa時，1.6g CH₄ （g）與H₂O（g）反應生成CO、H₂，吸熱20.64kJ，則1mol甲烷反應吸收熱量為206.4kJ，注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)與反應熱書寫熱化學方程式；
②CH₄不完全燃燒制合成氣時，放出熱量，同時得到的CO、H₂的化學計量數(shù)之比為1：2，能恰好完全反應合成甲醇；
（3）反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能；根據(jù)蓋斯定律：反應②-反應①=反應③，反應熱也進行相應的計算；
（4）①n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，該裝置是燃料電池，負極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，根據(jù)原子守恒得0＜n（CO₂）≤2mol，二氧化碳不足量，則反應生成碳酸鉀；
②根據(jù)原子守恒得2mol＜n（CO₂）≤4mol，反應生成碳酸氫鉀．

解答 解：（1）在常溫常壓下，“可燃冰”會發(fā)生分解反應生成甲烷與水，反應方程式為：CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O，
故答案為：CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O；
（2）①在101kPa時，1.6g CH₄ （g）與H₂O（g）反應生成CO、H₂，吸熱20.64kJ，則1mol甲烷反應吸收熱量為206.4kJ，熱化學方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
②CH₄不完全燃燒制合成氣時，放出熱量，同時得到的CO、H₂的化學計量數(shù)之比為1：2，能恰好完全反應合成甲醇，而方法一吸收熱量，得到CO、H₂的化學計量數(shù)之比為1：3，不能恰好轉(zhuǎn)化為甲醇，故方法二更好，
故答案為：②；選擇CH₄不完全燃燒，制合成氣體時，放出熱量，同時得到CO：H₂為1：2，能恰好完全反應合成甲醇；
（3）反應熱=反應物總鍵能-生成物總鍵能，故△H₁=1076kJ．mol^-1+2×436kJ．mol^-1-（3×413+343+465）kJ．mol^-1=-99kJ．mol^-1；
根據(jù)蓋斯定律：反應②-反應①=反應③，故△H₃=△H₂-△H₁=-58kJ．mol^-1-（-99kJ．mol^-1）=+41kJ．mol^-1，
故答案為：-99；+41；
（4）①n（KOH）=2mol/L×2L=2mol，該裝置是燃料電池，負極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，根據(jù)原子守恒得0＜n（CO₂）≤$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol，二氧化碳不足量，則反應生成碳酸鉀，電池總反應方程式為：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案為：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②44.8L＜V≤89.6L時，根據(jù)原子守恒得$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol＜n（CO₂）≤$\frac{89.6L}{22.4L/mol}$=4mol，反應生成碳酸氫鉀，負極反應式為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案為：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-．

點評 本題考查反應熱有關(guān)計算、實驗方案的評價和電極反應的書寫等，側(cè)重考查學生分析計算能力，需要學生具備扎實的基礎(chǔ)，難度中等．