Question

6．甲醇是一種重要的化工原料，在生產中有著重要應用．工業(yè)上用甲烷氧化法合成甲醇，反應流程中涉及如下反應（下列焓變數據均在25℃測得
CH₄（g）+CO（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3KJ•mol^-1
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1•mol^-1②
2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-566.0KJ•mol^-1③
（1）25℃時，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，向容積為4L的恒容密閉容器中通入6molCO₂和6mol CH₄，發(fā)生反應①，5min后反應在該溫度下達到平衡，這時測得反應體系中各組分的體積分數相等，則該反應在0～5min內的平均反應速率v（CO）=0.2mol•L^-1•min^-1．；在相同溫度下，將上述反應改在某恒壓容器內進行，該反應的平衡常數不變（填“增大”“不變”或“減小”）；
（3）工業(yè)上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，25℃時，其反應的熱化學方程式為
CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）△H=-29.1KJ•mol^-1
科研人員對該反應進行了研究，部分研究結果如圖一所示：
①根據反應體系的壓強對甲醇轉化率的影響并綜合考慮生產成本因素，在下列各壓強    數據中，工業(yè)上制取甲酸甲酯應選擇的是b（填下列序號字母）
a．3.5×10⁶Pa    b．4.0×l0⁶Pa    c．5.0×10⁶Pa
②用上述方法制取甲酸甲酯的實際工業(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，且反應放熱，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的工作原理如圖二所示：
①通入氣體a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⁺；
②25℃時，用此電池以石墨作電極電解0.5L飽和食鹽水（足量），若兩極生成的氣體共1.12L（已折算為標準狀況下的體積），則電解后溶液的pH為13（忽略溶液體積的變化）．

Answer 1

分析 （1）根據①CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
由蓋斯定律①×2+②×2+③計算書寫熱化學方程式；
（2）根據平衡體系中各組分的體積分數相等，利用三段式結合平均反應速率v（CO）=$\frac{△c}{△t}$進行計算，平衡常數僅與溫度有關，溫度不變，平衡常數也不變；
（3）①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率“看，圖象中轉化率較大的是4.0×10⁶Pa；
②依據圖象分析溫度在高于80°C對反應速率影響不大，又反應是放熱反應，溫度過高，平衡逆向進行，不利于轉化率增大；
（4）①根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，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根據電解池的工作原理和電極方程式來計算．

解答 解：（1）根據①CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H₁=+247.3kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H₃=-566.0kJ•mol^-1
由①×2+②×2+③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相等，所以6-x=2x，解得x=2，
則該反應在0～5min內的平均反應速率v（CO）=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{\frac{2×2mol}{4L}}{5min}$=0.2mol•L^-1•min^-1；
又平衡常數僅與溫度有關，溫度不變，平衡常數也不變，所以在相同溫度下，將上述反應改在某恒壓容器內進行，該反應的平衡常數不變，
故答案為：0.2；不變；
（3）①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率“看，圖象中轉化率較大的是4.0×10⁶Pa，故選：b；
②依據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，且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低；
（4）①根據圖知，交換膜是質子交換膜，則電解質溶液呈酸性，根據氫離子移動方向知，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極反應為：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．