Question

6．據(jù)報道，在青藏高原凍土的一定深度下，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(yīng)，其化學(xué)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(yīng)緊張的燃油．
①方法一：在101kPa時，1.6g CH₄ （g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CO、H₂，吸熱20.64kJ．則甲烷與H₂O（g）反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1．
方法二：CH₄不完全燃燒也可制得合成氣：CH₄（g）+O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H=-35.4kJ•mol^-1．則從原料選擇和能源利用角度，比較方法一和二，合成甲醇的適宜方法為方法二（填“方法一”或“方法二”）；原因是CH₄不完全燃燒制合成氣時，放出熱量，同時得到的CO、H₂的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為1：2，能恰好完全反應(yīng)合成甲醇．
②在溫度為T，體積為10L的密閉容器中，加入1mol CO、CO、2mol H₂，發(fā)生反應(yīng)CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△H=-Q kJ•mol^-1 （Q＞0），達(dá)到平衡后的壓強(qiáng)是開始時壓強(qiáng)的0.6倍，放出熱量Q₁ kJ．
a．H₂的轉(zhuǎn)化率為60%．
b．在相同條件下，若起始時向密閉容器中加入a mol CH₃OH（g），反應(yīng)平衡后吸收熱量Q₂ kJ，且Q₁+Q₂=Q，則a=1mol．
（3）將CH₄設(shè)計(jì)成燃料電池，其利用率更高，裝置示意如圖（A、B為多孔性碳棒）．持續(xù)通入甲烷，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗甲烷體積V L．
①0＜V≤44.8L時，電池總反應(yīng)方程式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O．
②44.8L＜V≤89.6L時，負(fù)極電極反應(yīng)為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-．
③V=67.2L時，溶液中離子濃度大小關(guān)系為c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）在常溫常壓下，“可燃冰”會發(fā)生分解反應(yīng)生成甲烷與水；
（2）①在101kPa時，1.6g CH₄ （g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CO、H₂，吸熱20.64kJ，則1mol甲烷反應(yīng)吸收熱量為206.4kJ，注明物質(zhì)的聚集狀態(tài)與反應(yīng)熱書寫熱化學(xué)方程式；
CH₄不完全燃燒制合成氣時，放出熱量，同時得到的CO、H₂的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為1：2，能恰好完全反應(yīng)合成甲醇；
②a．恒溫恒容下，利用壓強(qiáng)之比等于氣體物質(zhì)的量之比計(jì)算平衡時混合氣體總物質(zhì)的量，再利用差量法計(jì)算參加反應(yīng)氫氣物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算氫氣轉(zhuǎn)化率；
b．若Q₁+Q₂=Q，則與原平衡為等效平衡，按化學(xué)計(jì)量轉(zhuǎn)化到方程式一邊，對應(yīng)組分的量相等；
（3）①n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，該裝置是燃料電池，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，根據(jù)原子守恒得0＜n（CO₂）≤2mol，二氧化碳不足量，則反應(yīng)生成碳酸鉀；
②根據(jù)原子守恒得2mol＜n（CO₂）≤4mol，反應(yīng)生成碳酸氫鉀；
③當(dāng)V=67.2L時，n（CO₂）=3mol，設(shè)碳酸鉀的物質(zhì)的量為x、碳酸氫鉀的物質(zhì)的量為y，根據(jù)K原子、C原子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+y=4}\end{array}\right.$，解得$\left\{\begin{array}{l}{x=1}\\{y=2}\end{array}\right.$，溶液中碳酸根、碳酸氫根離子水解，溶液呈堿性，碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子．

解答 解：（1）在常溫常壓下，“可燃冰”會發(fā)生分解反應(yīng)生成甲烷與水，反應(yīng)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(yīng)生成CO、H₂，吸熱20.64kJ，則1mol甲烷反應(yīng)吸收熱量為206.4kJ，熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
方法二中，CH₄不完全燃燒制合成氣時，放出熱量，同時得到的CO、H₂的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為1：2，能恰好完全反應(yīng)合成甲醇，而方法一吸收熱量，得到CO、H₂的化學(xué)計(jì)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：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
方法二，CH₄不完全燃燒制合成氣時，放出熱量，同時得到的CO、H₂的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比為1：2，能恰好完全反應(yīng)合成甲醇；
②a．恒溫恒容下，壓強(qiáng)之比等于氣體物質(zhì)的量之比，則平衡時混合氣體總物質(zhì)的量為（1+2）mol×0.6=1.8mol，則：
CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△n
        2                     2
        1.2mol              3mol-1.8mol=1.2mol
故氫氣的轉(zhuǎn)化率為$\frac{1.2mol}{2mol}$×100%=60%，
故答案為：60%；
b．若Q₁+Q₂=Q，則與原平衡為等效平衡，按化學(xué)計(jì)量轉(zhuǎn)化到方程式一邊，對應(yīng)組分的量相等，1mol CO、CO、2mol H₂完全轉(zhuǎn)化可以得到1mol CH₃OH，則a=1，
故答案為：1；
（3）①n（KOH）=2mol/L×2L=2mol，該裝置是燃料電池，負(fù)極上甲烷失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，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(yīng)生成碳酸鉀，電池總反應(yīng)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(yīng)生成碳酸氫鉀，負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案為：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
③當(dāng)V=67.2L時，n（CO₂）=$\frac{67.2L}{22.4L/mol}$=3mol，設(shè)碳酸鉀的物質(zhì)的量為x、碳酸氫鉀的物質(zhì)的量為y，根據(jù)K原子、C原子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+y=4}\end{array}\right.$，解得$\left\{\begin{array}{l}{x=1}\\{y=2}\end{array}\right.$，溶液中碳酸根、碳酸氫根離子水解，溶液呈堿性，碳酸根離子水解程度大于碳酸氫根離子，所以溶液中離子濃度大小順序?yàn)椋篶（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案為：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

點(diǎn)評 本題比較綜合，涉及化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、熱化學(xué)方程式書寫、原電池、離子濃度大小比較等，側(cè)重考查學(xué)生分析計(jì)算能力，難度較大．