Question

14．甲醇來(lái)源豐富、價(jià)格低廉，是一種重要的化工原料，有著重要的應(yīng)用前景．
（1）工業(yè)上以CH₄和H₂O為原料，通過(guò)下列反應(yīng)來(lái)制備甲醇：
I：CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）=CO （ g ）+3H₂ （ g ）△H=+206.0kJ•mol^-1
II：CO （ g ）+2H₂ （ g ）=CH₃OH （ g ）△H=-129.0kJ•mol^-1
CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CH₃OH （g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂ （g）△H=+77.0 kJ/mol．
（2）若以CH₄、CO和H₂O（g）為原料制備甲醇，欲使原子利用率最高，則投料時(shí)n（CH₄）：n（CO）：n（H₂O）是2：1：2．
（3）若在恒溫恒容的容器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），該反應(yīng)平衡常數(shù)表達(dá)式為K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$．一定條件下，可用來(lái)判斷該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的標(biāo)志有AD．（填字母）
A．CO百分含量保持不變
B．容器中H₂濃度與CO濃度相等
C．容器中混合氣體的密度保持不變
D．CO的生成速率與CH₃OH的生成速率相等
（4）工業(yè)上利用甲醇部分氧化制備氫氣．在一定溫度和催化劑作用下，原料氣比例對(duì)反應(yīng)的選擇性（選擇性越大，表示生成的該物質(zhì)越多）影響關(guān)系如圖1所示．則在制備H₂時(shí)發(fā)生的主要反應(yīng)方程式為2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化劑}$ 2CO₂+4H₂（已知產(chǎn)物為兩種氣體）；n（O₂）：n（CH₃OH）=0.25時(shí)，主要產(chǎn)物為HCHO．
（5）甲醇燃料電池結(jié)構(gòu)如圖2所示．其工作時(shí)負(fù)極電極反應(yīng)式可表示為：CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺．

Answer 1

分析 （1）Ⅰ、CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
Ⅱ、CO（g）+2 H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0 kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律將方程式Ⅰ+Ⅱ計(jì)算得到；
（2）要使原子利用率最高，則應(yīng)該產(chǎn)物中只有甲醇，
I：CH₄+H₂O=CO+3H₂
II：CO+2H₂=CH₃OH
將方程式I×2+II×3得2CH₄+2H₂O+CO=3CH₃OH，據(jù)此判斷三種物質(zhì)的物質(zhì)的量之比；
（3）該平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比；可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)體系中各物質(zhì)的物質(zhì)的量、物質(zhì)的量濃度、百分含量及由此引起的一系列物理量不變；
（4）根據(jù)圖知，氫氣的選擇性較大，說(shuō)明生成氫氣，CO的選擇性幾乎不變，說(shuō)明沒(méi)有二氧化碳生成，甲醇被氧化生成兩種氣體，則另外一種應(yīng)該是二氧化碳；n（O₂）：n（CH₃OH）=0.25時(shí)，其主要產(chǎn)物是甲醛；
（5）甲醇燃料酸性電池中，加入甲醇的電極是負(fù)極，負(fù)極上甲醇失電子生成二氧化碳和氫離子．

解答 解：（1）Ⅰ、CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ/mol
Ⅱ、CO（g）+2 H₂（g）=CH₃OH（g）△H=-129.0 kJ/mol
將方程式Ⅰ+Ⅱ得CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH（g）+H₂（g）△H=+206.0kJ/mol+（-129.0kJ/mol）=+77.0 kJ/mol，故答案為：CH₄ （ g ）+H₂O （ g ）=CH₃OH （ g ）+H₂ （ g ）△H=+77.0 kJ•mol^-1；
（2）要使原子利用率最高，則應(yīng)該產(chǎn)物中只有甲醇，
I：CH₄+H₂O=CO+3H₂
II：CO+2H₂=CH₃OH
將方程式I×2+II×3得2CH₄+2H₂O+CO=3CH₃OH，根據(jù)方程式知，n（CH₄）：n（CO）：n（H₂O）=2：1：2，
故答案為：2：1：2；
（3）該平衡常數(shù)K等于生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比，則該平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$；
A．CO百分含量保持不變時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確；
B．容器中H₂濃度與CO濃度相等，該反應(yīng)不一定達(dá)到平衡狀態(tài)，與反應(yīng)物初始濃度及轉(zhuǎn)化率有關(guān)，故錯(cuò)誤；
C．反應(yīng)前后氣體總質(zhì)量不變、容器容積不變，則無(wú)論反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)，容器中混合氣體密度始終不變，所以當(dāng)容器中混合氣體的密度保持不變時(shí)該反應(yīng)不一定達(dá)到平衡狀態(tài)，故錯(cuò)誤；
D．CO的生成速率與CH₃OH的生成速率相等也等于消耗的甲醇速率，則該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故正確；
故答案為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）．{c}^{2}（{H}_{2}）}$；AD；
（4）根據(jù)圖知，氫氣的選擇性較大，說(shuō)明生成氫氣，CO的選擇性幾乎不變，說(shuō)明沒(méi)有二氧化碳生成，甲醇被氧化生成兩種氣體，則另外一種應(yīng)該是二氧化碳，其反應(yīng)方程式為2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化劑}$ 2CO₂+4H₂；n（O₂）：n（CH₃OH）=0.25時(shí)，根據(jù)圖知，其主要產(chǎn)物是甲醛，
故答案為：2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化劑}$ 2CO₂+4H₂；HCHO；
（5）甲醇燃料酸性電池中，加入甲醇的電極是負(fù)極，負(fù)極上甲醇失電子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-6e^-+H₂O=CO₂↑+6H⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較綜合，涉及化學(xué)平衡計(jì)算、原電池原理、化學(xué)平衡狀態(tài)判斷、蓋斯定律等知識(shí)點(diǎn)，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算判斷能力，明確化學(xué)反應(yīng)原理是解本題關(guān)鍵，注意教材知識(shí)的綜合及靈活應(yīng)用，題目難點(diǎn)中等．