Question

（14分）甲醇是重要的化工原料，在工业生产上的应用十分广泛。
（1）利用太阳能或生物质能分解水制H₂，然后可将H₂与CO₂转化为甲醇。已知：
光催化制氢：2H₂O(l)===2H₂(g)＋O₂(g)  ΔH＝＋571.5 kJ/mol   ①
H₂与CO₂耦合反应：3H₂(g)＋CO₂(g)===CH₃OH(l)＋H₂O(l)  ΔH＝－137.8 kJ/mol   ②
则反应：2H₂O(l)＋CO₂(g) = CH₃OH(l)＋3/2O₂(g)的ΔH＝     kJ/mol。
你认为该方法需要解决的技术问题有     （填字母）。
a. 开发高效光催化剂
b. 将光催化制取的H₂从反应体系中有效分离，并与CO₂耦合催化转化
c. 二氧化碳及水资源的来源供应
（2）工业上由甲醇制取甲醛的两种方法如下（有关数据均为在298 K时测定）：
反应I：CH₃OH(g)＝HCHO(g)＋H₂(g)  ΔH₁＝＋92.09kJ/mol，K₁＝3.92×10^－11。
反应II：CH₃OH(g)＋1/2O₂(g)＝HCHO(g)＋H₂O(g)  ΔH₂＝－149.73 kJ/mol，K₂＝4.35×10²⁹。
①从原子利用率看，反应     （填“I”或“II”。下同）制甲醛的原子利用率更高。从反应的焓变和平衡常数K值看，反应   制甲醛更有利。
②下图是甲醇制甲醛有关反应的lgK（平衡常数的对数值）随温度T的变化。图中曲线（1）表示的是反应     。

（3）污水中的含氮化合物，通常先用生物膜脱氮工艺进行处理，在硝化细菌的作用下将NH₄^＋氧化为NO₃^－（2NH₄⁺+3O₂＝2HNO₂+2H₂O +2H⁺；2HNO₂ +O₂＝2HNO₃）。然后加入甲醇，甲醇和NO₃^－反应转化为两种无毒气体。
①上述方法中，1 g铵态氮元素转化为硝态氮元素时需氧的质量为     g。
②写出加入甲醇后反应的离子方程式：     。
（4）甲醇燃料电池的工作原理如图所示，则该电池负极的电极反应式为   。

Answer 1

共14分。每空2分。
（1）-719.5（2分）     ab（2分）
（2）①I（1分）    II（1分）     ②II（2分）
（3）①4.57（2分）
②6NO₃^－＋5CH₃OH＋6H^＋＝3N₂↑＋5CO₂↑＋13H₂O（2分）
（4）CH₃OH+H₂O–6e^－=CO₂↑+6H⁺（2分）

试题分析：（1）由盖斯定律得2H₂O(l)＋CO₂(g) = CH₃OH(l)＋3/2O₂(g)的ΔH＝（①×3+②×2）/2，将①②的代入上式中得所求ΔH=-719.45kJ/mol；利用太阳能或生物质能分解水制H₂，需要开发高效光催化剂，使水易在太阳光的作用下分解，同时将光催化制取的H₂从反应体系中有效分离，并与CO₂耦合催化转化，但二氧化碳及水资源的来源供应不是需要解决的技术问题，答案选ab；
（2）反应物中的原子尽可能的转化为生成物，原子的利用率越高，所以反应I的原子利用率高；反应II的化学平衡常数较大，说明反应进行的彻底程度较大，而且反应II是放热反应，所以从反应的焓变和平衡常数K值看，反应II制甲醛有利；
（3）①根据所给方程式可知2NH₄⁺～4O₂～2HNO₃，1 g铵态氮元素转化为硝态氮元素时需氧的质量为2×32/14=4.57g，
②甲醇和NO₃^－反应转化为两种无毒气体，从元素守恒角度判断无毒气体是氮气和二氧化碳，另一种产物是水，离子方程式为6NO₃^－＋5CH₃OH＋6H^＋＝3N₂↑＋5CO₂↑＋13H₂O
（4）燃料电池中燃料在电池的负极发生氧化反应，结合图中信息，甲醇被氧化为二氧化碳和氢离子，所以该电池的负极反应式为CH₃OH+H₂O–6e^－=CO₂↑+6H⁺