Question

2．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）2CO（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)力程式為2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H=-251.6kJ•mol^-1．
（2）在容積相同的一個恒容密閉容器I、Ⅱ、Ⅲ中均充入1mol CO和2mol H₂，發(fā)生反應(yīng)（ii），三個容器的反應(yīng)溫度分別為T₁、T₂、T₃且恒定不變．如圖1為三個容器中的反應(yīng)均進行到t min時CO的體積分?jǐn)?shù)示意圖．此時，三個容器中一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是容器Ⅲ：當(dāng)三個容器中的反應(yīng)均達(dá)到平衡狀態(tài)時，CO的轉(zhuǎn)化率最低的是容器Ⅲ，平衡常數(shù)最大的是容器Ⅰ．
CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）△H=-29.1kJ•mol^-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
科研人員對該反應(yīng)進行了研究，部分研究結(jié)果如圖2和圖3：

①從反應(yīng)壓強對甲醇轉(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℃．其理由是高于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）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4所示：
①通入b氣體的電極是電池的正（填”正”或“負(fù)”）極，通入a氣體的電極放電時的電極反應(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硫酸銅溶液（足量）．若陰極質(zhì)量增重1.6g．則電解后溶液的pH為1（忽略溶液的體積變化）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律計算書寫熱化學(xué)方程式，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）得到所需熱化學(xué)方程式；
（2）2CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，這是一個熱反應(yīng)放，三個容器的反應(yīng)溫度分別為T₁、T₂、T₃且T₁＜T₂＜T₃，若未達(dá)平衡，溫度越高反應(yīng)速率越快，相同時間內(nèi)氮氣的含量越低，tmin時，氮氣的含量Ⅲ比Ⅱ和Ⅰ高，故Ⅲ到達(dá)平衡；對于放熱反應(yīng)而言，溫度高會向吸熱方向進行程度更大，所以CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低，當(dāng)三個容器中的反應(yīng)均達(dá)到平衡狀態(tài)時，CO的轉(zhuǎn)化率最低的是容器是溫度最高的容器Ⅲ；反應(yīng)進程越大，轉(zhuǎn)化率越高，平衡常數(shù)越大，所以平衡常數(shù)平衡常數(shù)最大的是轉(zhuǎn)化率最大的容器，即溫度最低的容器Ⅰ；
（3）①依據(jù)轉(zhuǎn)化率曲線分析判斷，圖象中轉(zhuǎn)化率變化最大的是4.0×10⁶Pa；
②圖象分析速率隨溫度變化的趨勢分析回答，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，平衡逆向進行，不利于轉(zhuǎn)化率增大；
（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）2CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，這是一個熱反應(yīng)放，三個容器的反應(yīng)溫度分別為T₁、T₂、T₃且T₁＜T₂＜T₃，若未達(dá)平衡，溫度越高反應(yīng)速率越快，相同時間內(nèi)氮氣的含量越低，tmin時，氮氣的含量Ⅲ比Ⅱ和Ⅰ高，故Ⅲ到達(dá)平衡；對于放熱反應(yīng)而言，溫度高會向吸熱方向進行程度更大，所以CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低，當(dāng)三個容器中的反應(yīng)均達(dá)到平衡狀態(tài)時，CO的轉(zhuǎn)化率最低的是容器是溫度最高的容器Ⅲ；反應(yīng)進程越大，轉(zhuǎn)化率越高，平衡常數(shù)越大，所以平衡常數(shù)平衡常數(shù)最大的是轉(zhuǎn)化率最大的容器，即溫度最低的容器Ⅰ，
故答案為：Ⅲ；Ⅲ；Ⅰ；
（3）①從反應(yīng)壓強對甲醇轉(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：正；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②用此電池以惰性電極電解0.5L硫酸銅溶液（足量），電解反應(yīng)離子方程式為：2Cu²⁺+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2Cu+4H⁺+O₂↑，當(dāng)若陰極質(zhì)量增重1.6g時，則生成銅的質(zhì)量為1.6g，物質(zhì)的量為0.025mol，所以產(chǎn)生的氫離子的物質(zhì)的量為0.05mol，氫離子的濃度為：c=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.05mol}{0.5L}$=0.1mol/L，所以PH=-lgc（H⁺）=-lg0.1=1，
故答案為：1．

點評 本題考查了蓋斯定律的應(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，注意掌握基礎(chǔ)知識的掌握，題目難度中等．