Question

5．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=-90.1J•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橫溶密閉容器中通入6molCO₂和6molCH₄，發(fā)生反應(yīng)（i），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)上鄂通過甲醇羥基化法制取甲酸甲酯，其反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：
CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCO（個）△H=-29.1J•mol^-1
科研人員對該反應(yīng)進(jìn)行了研究，部分研究結(jié)果如下：如圖1所示
①從反應(yīng)壓強(qiáng)對甲醇轉(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“3.5×10⁶Pa”“4.0×10⁶Pa”或“5.0×10⁶Pa”）
②實際工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃，期理由是高于80℃時，溫度對反應(yīng)速率影響較小，且反應(yīng)放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉(zhuǎn)化率降低
（4）直接甲醇燃料電池（簡稱DMFC）由于其結(jié)構(gòu)簡單、能量轉(zhuǎn)化率高、對環(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氣體的電解是電池的負(fù)（填“正”或“負(fù)”）極
②常溫下，用此電池乙惰性電極電解0.5L飽和食鹽水（足量），若兩極共生產(chǎn)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）（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）可書寫熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)平衡體系中各組分的體積分?jǐn)?shù)均為$\frac{1}{4}$，利用三段式計算出平衡時各組分的含量，計算平衡常數(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)電解池的工作原理和電極方程式來計算．

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=$\frac{c{\;}^{2}（CO）•c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}{c（CH{\;}_{4}）•c（CO{\;}_{2}）}$=$\frac{1{\;}^{2}×1{\;}^{2}}{1×1}$=1，
故答案為：1；
（3）①從反應(yīng)壓強(qiáng)對甲醇轉(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，溫度對反應(yīng)速率影響較小，且反應(yīng)放熱，升高溫度時平衡逆向移動，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)；
②用此電池以惰性電極電解飽和食鹽水的電極反應(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，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．

點評 本題考查較為綜合，涉及了蓋斯定律的應(yīng)用、熱化學(xué)方程式的計算書寫、化學(xué)平衡的計算、圖象分析判斷以及電化學(xué)的知識等，注意把握蓋斯定律的運用，掌握原電池的工作原理，題目難度中等．