Question

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．
已知：①CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）△H₁=+206.2kJ?mol^-1
②CH₄（g）+

1

2

O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₂=-35.4kJ?mol^-1
③CH₄（g）+2H₂O （g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H₃=+165.0kJ?mol^-1
（1）CH₄（g）與CO₂（g）反應(yīng)生成CO（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為

 

．
（2）從原料選擇和能源利用角度，比較方法①和②，為合成甲醇，用甲烷制合成氣的適宜方法為

 

（填序號(hào)），其原因是

 

．
（3）合成氣中的H₂可用于生產(chǎn)NH₃，在進(jìn)入合成塔前常用Cu（NH₃）₂Ac溶液來(lái)吸收其中的CO，防止合成塔中的催化劑中毒，其反應(yīng)是：
Cu（NH₃）₂Ac+CO+NH₃?[Cu（NH₃）₃]Ac?CO△H＜0
Cu（NH₃）₂Ac溶液吸收CO的適宜生產(chǎn)條件應(yīng)是

 

．
（4）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VL．
①O＜V≤44.8L時(shí)，電池總反應(yīng)方程式為

 

；
②44.8L＜V≤89.6L時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)為

 

；
③V=67.2L時(shí)，溶液中離子濃度大小關(guān)系為

 

．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)蓋斯定律結(jié)合已知熱化學(xué)方程式分析；
（2）從能量角度和原子利用率角度兩個(gè)方面分析；
（3）已知正反應(yīng)是氣體物質(zhì)體積減小的放熱反應(yīng)，據(jù)此分析；
（4）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根據(jù)甲烷的量計(jì)算生成的二氧化碳的量，結(jié)合反應(yīng)方程式判斷反應(yīng)產(chǎn)物及發(fā)生的反應(yīng)．

解答：解：（1）根據(jù)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）與CO₂（g）反應(yīng)生成CO（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4 kJ?mol^-1，
故答案為：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(yīng)，需要消耗更多能量，②是放熱反應(yīng)，不需要太多能量；從原子利用率角度，由于CO+2H₂→CH₃OH，①的產(chǎn)物中氫原子不可能全部變?yōu)镃H₃OH，而②的產(chǎn)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(shí)放出熱量，還得到物質(zhì)的量之比為1：2的CO和H₂的混合氣體，能恰好完全反應(yīng)生成甲醇，
故答案為：②；選擇CH₄不完全燃燒制合成氣時(shí)，放出熱量，同時(shí)得到的CO、H₂物質(zhì)的量之比為1：2，能恰好完全反應(yīng)合成甲醇；
（3）已知正反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)體積減小的放熱反應(yīng)，因此采用降低溫度、增大壓強(qiáng)能使平衡右移，提高CO的轉(zhuǎn)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(yīng)①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
①當(dāng)0＜V≤44.8 L時(shí)，0＜n（CH₄）≤2mol，則0＜n（CO₂）≤2mol，只發(fā)生反應(yīng)①②，且KOH過(guò)量，則電池總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案為：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②當(dāng)44.8 L＜V≤89.6 L，2mol＜n（CH₄）≤4mol，則2mol＜n（CO₂）≤4mol，發(fā)生反應(yīng)①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，則負(fù)極反應(yīng)式為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案為：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10 HCO₃^-；
③當(dāng)V=67.2 L時(shí)，n（CH₄）=3mol，n（CO₂）=3mol，則電池總反應(yīng)式為3CH₄+6O₂+4KOH=K₂CO₃+2KHCO₃+7H₂O，則得到1molK₂CO₃和2molKHCO₃的溶液，則c（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(píng)：本題考查了運(yùn)用蓋斯定律計(jì)算焓變、熱化學(xué)方程式的書(shū)寫(xiě)、評(píng)價(jià)物質(zhì)合成方案、影響化學(xué)平衡的因素、燃料電池、溶液中離子濃度大小關(guān)系等重要考點(diǎn)，涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，綜合性較強(qiáng)，難度較大．