Question

海底蘊藏著大量的“可燃冰”。用甲烷制水煤氣（CO、H2），再合成甲醇來代替日益供應緊張的燃油。

已知：

① CH4(g)＋H2O (g)＝CO (g)＋3H2(g) △H1＝+206.2kJ·mol-1

② CH4(g)＋O2(g)＝CO(g)＋2H2(g) △H2=－35.4 kJ·mol-1

③ CH4 (g)＋2H2O (g)＝CO2 (g)＋4H2(g) △H3＝+165.0 kJ·mol-1

（1）CH4(g)與CO2 (g)反應生成CO(g)和H2(g)的熱化學方程式為 。

（2）從原料、能源利用的角度，分析反應②作為合成甲醇更適宜方法的原因是 。

（3）水煤氣中的H2可用于生產NH3，在進入合成塔前常用[Cu(NH3)2]Ac溶液來吸收其中的CO，防止合成塔中的催化劑中毒，其反應是：

[Cu(NH3)2]Ac + CO + NH3 [Cu(NH3)3]Ac·CO △H＜0

[Cu(NH3)2]Ac溶液吸收CO的適宜生產條件應是 。

（4）將CH4設計成燃料電池，其利用率更高，裝置示意如下圖（A、B為多孔性石墨棒）。持續(xù)通入甲烷，在標準狀況下，消耗甲烷體積VL。

 

① 0＜V≤44.8 L時，電池總反應方程式為 。

② 44.8 L＜V≤89.6 L時，負極電極反應為 。

③ V=67.2 L時，溶液中離子濃度大小關系為 。

 

Answer 1

（1）CH4 (g)＋CO2 (g) ＝2CO (g)＋2H2(g) △H＝+247.4 kJ·mol－1

（2）反應②是放熱反應，可節(jié)省能源；同時制得的CO與H2物質的量之比為1:2，能恰好反應合成甲醇，符合綠色化學的“原子經濟”原則。

（3）低溫、高壓

（4） ①CH4 + 2O2+ 2KOH ＝K2CO3+ 3H2O

②CH4—8e－+ 9CO32-+3H2O ＝10HCO3-

③c(K＋)＞c(HCO3-)＞c(CO32-)＞c(OH－)＞c(H+)

【解析】

（1）根據蓋斯定律可知，①×2-③可得CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g），所以其△H=[（+206.2）×2-（+165.0）]kJ?mol-1=+247.4 kJ?mol-1，所以CH4（g）+CO2（g）=2CO（g）+2H2（g）△H=+247.4 kJ?mol-1

（2）從能量角度比較，①是吸熱反應，需要消耗更多能量，②是放熱反應，不需要太多能量；從原子利用率角度，由于CO+2H2→CH3OH，①的產物中氫原子不可能全部變?yōu)镃H3OH，而②的產物中所有原子都可能全部變?yōu)镃H3OH；因此選②，甲烷不完全燃燒制合成氣時放出熱量，還得到物質的量之比為1：2的CO和H2的混合氣體，能恰好完全反應生成甲醇。

（3）已知正反應是氣態(tài)物質體積減小的放熱反應，因此采用降低溫度、增大壓強能使平衡右移，提高CO的轉化率，故答案為：低溫、高壓。

（4）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應①CH4+2O2→CO2+2H2O、②CO2+2KOH=K2CO3+H2O、③K2CO3+CO2+H2O=2KHCO3；①當0＜V≤44.8 L時，0＜n（CH4）≤2mol，則0＜n（CO2）≤2mol，只發(fā)生反應①②，且KOH過量，則電池總反應式為CH4+2O2+2KOH=K2CO3+3H2O；②當44.8 L＜V≤89.6 L，2mol＜n（CH4）≤4mol，則2mol＜n（CO2）≤4mol，發(fā)生反應①②③，得到K2CO3和KHCO3溶液，則負極反應式為CH4-8e-+9CO32-+3H2O=10HCO3-；③當V=67.2 L時，n（CH4）=3mol，n（CO2）=3mol，則電池總反應式為3CH4+6O2+4KOH=K2CO3+2KHCO3+7H2O，則得到1molK2CO3和2molKHCO3的溶液，則c（K+）＞c（HCO3-）＞c（CO32-）＞c（OH-）＞c（H+）。