Question

20．甲醇是一種重要的化工原料，在生產中有著重要的應用．工業(yè)上用甲烷氧化法合成甲醇的反應有：
（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
（1）用CH₄和O₂直接制備甲醇蒸氣的熱化學方程式為2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H=-251.6kJ•mol^-1．
（2）某溫度下，向4L恒容密閉容器中通人6mol CO₂和6mol CH₄，發(fā)生反應（ii），平衡體系中各組分的體積分數(shù)均為$\frac{1}{4}$，則此溫度下該反應的平衡常數(shù)K=1．
（3）工業(yè)上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反應的熱化學方程式為：CHOH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）△H=-29.1kJ•mol^-1
科研人員對該反應進行了研究，部分研究結果如圖1：

①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率”看，工業(yè)制取甲酸甲酯應選擇的壓強是4.0×10⁶Pa（填“3.5x l0⁶Pa”“4.0xl0⁶ Pa“或“5.0xl0⁶ Pa”）．
②實際工業(yè)生產中采用的溫度是80℃，其理由是高于80時，溫度對反應速率影響較小，又因反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低．
（4）直接甲醇燃料電池（簡稱DMFC）由于其結構簡單、能量轉化率高、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注．DMFC的工作原理如圖2所示：
①通入a氣體的電極是電池的負（填“正”或“負”）極，其電極反應式為CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②常溫下，用此電池以惰性電極電解0.5L飽和食鹽水（足量），若兩極共生成氣體1.12L（已折算為標準狀況下的體積），則電解后溶液的pH為=13（忽略溶液的體積變化）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律計算書寫熱化學方程式；
（2）根據(jù)平衡體系中各組分的體積分數(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，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應；
②根據(jù)電池反應為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，結合兩極生成氣體體積計算．

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數(shù)均為$\frac{1}{4}$，所以6-x=2x，解得x=2，
則此溫度下該反應的平衡常數(shù)X=$\frac{{c}^{2}（CO）•{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（C{O}_{2}）}$=$\frac{{1}^{2}×{1}^{2}}{1×1}$=1，
故答案為：1；
（3）①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率“看，圖象中轉化率變化最大的是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對反應速率影響不大，反應是放熱反應，溫度過高，平衡逆向進行，不利于轉化率增大，
故答案為：高于80時，溫度對反應速率影響較小，又因反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低；
（4）①根據(jù)圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據(jù)氫離子移動方向知，通入a的電極為負極、通入b的電極為正極，負極上甲醇失去電子發(fā)生氧化反應，負極反應式為 CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應，電極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，
故答案為：負；CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺；
②用此電池以惰性電極電解飽和食鹽水的電池反應為：2Cl^-+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$H₂↑+Cl₂↑+2OH^-，當兩極共收集到標準狀況下的氣體1.12L（0.05mol）時，則生成氫氧化鈉的物質的量是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 本題考查了蓋斯定律的應用、熱化學方程式的計算書寫、化學平衡的計算、圖象分析判斷以及電化學的知識等，注意掌握基礎知識的掌握，題目難度中等．