Question

运用化学反应原理分析解答以下问题．
（1）以CH₄和H₂O为原料制备二甲醚和甲醇的工业流程如下：

已知：CH₄ （g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂ （g）△H₁═+247.4kJ?mol^-1
CH4 （g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H₂+165.0kJ?mol^-1
①CH₄（g）与H₂O （g）反应生成CO（g）和H₂（g）的热化学方程式为

 

．
②反应室3（容积为VL）中a mol CO与2a mol H₂在催化剂作用下反应生成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），CO的平衡转化率与温度、压强的关系如图1所示，则：P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”）．在P₁压强下，100℃时，反应：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常数为

 

．（用含a、V的代数式表示）．
③保持温度和容积一定，反应室3再增加a mol CO与2a mol H₂，达到新平衡时，CO的转化率

 

．（填“增大”、“减小”或“不变”）
（2）甲醇是新能源电池的燃料，但它对水质会造成一定的污染．有一种电化学法可消除这种污染．其原理是：2滴甲醇，1mL 1.0mol?L^-1硫酸，4mL 0.1mol?L^-1硫酸钴（CoSO₄）混合溶液，插上两根惰性电极，通电后，将Co²⁺氧化成Co³⁺，然后以Co³⁺做氧化剂把水中的甲醇氧化成CO₂而净化．实验室用如图2装置模拟上述过程：

①检验电解时产生的CO₂气体，井穴板穴孔内应盛放

 

溶液．
②写出净化甲醇的离子方程式

 

．
（3）将CH₄设计成燃料电池，其利用率更高，装置如图3所示（A、B为多孔性石墨棒）．持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷体积VL．
①0＜V≤44.8L时，电池负极电极反应为：

 

；
②V=67.2L时，溶液中离子浓度大小关系为

 

．

Answer 1

考点：化学电源新型电池,热化学方程式

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）①根据盖斯定律计算化学反应的焓变并书写热化学方程式；
②根据压强对化学平衡移动的影响知识来判断，根据三行式计算化学平衡常数；
③根据压强对化学平衡移动的影响知识来判断；
（2）①检验二氧化碳应用澄清石灰水检验；
②甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被还原生成Co²⁺．
（3）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根据甲烷的量计算生成的二氧化碳的量，结合反应方程式判断反应产物及发生的反应．

解答： 解：（1）①已知：a、CH₄ （g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂ （g）△H₁═+247.4kJ?mol^-1
b、CH4 （g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H₂+165.0kJ?mol^-1
反应CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）可以是

1

2

（a+b）得到，所以该反应的△H=+206.2 kJ?mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.2 kJ?mol^-1；
②根据题目反应：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）知道，温度不变，压强越大，对应的CO的转化率越大，所以压强关系是：P₁＜P₂，在P₁压强下，100℃时，反应：
           CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
初始浓度：

a

V

       

2a

V

         0
变化浓度：

a

2V

        

a

V

       

a

2V

平衡浓度：

a

2V

        

a

V

         

a

2V

 
        
平衡常数为

a 2V

a 2V ×( a V )2

=

V2

a2

，所以 CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常数为

a2

V2

；
故答案为：＜；

a2

V2

；
③保持温度和容积一定，反应室3再增加a mol CO与2a mol H₂，相当于增大压强，平衡右移，达到新平衡时，CO的转化率增大，故答案为：增大；
（2）①检验电解时产生的CO₂气体，用澄清石灰水检验二氧化碳的存在，井穴板穴孔内应盛放澄清石灰水；
故答案为：澄清石灰水或Ca（OH）₂；
②甲醇被氧化生成二氧化碳，Co³⁺被还原生成Co²⁺，溶液呈酸性，则生成物中含有氢离子，所以该反应离子方程式为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6Co²⁺+6H⁺；
故答案为：6Co³⁺+CH₃OH+H₂O=CO₂↑+6 Co²⁺+6H⁺；
（3）①n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
当0＜V≤44.8 L时，0＜n（CH₄）≤2mol，则0＜n（CO₂）≤2mol，只发生反应①②，且KOH过量，则电池总反应式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，负极反应为：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
②当V=67.2 L时，n（CH₄）=3mol，n（CO₂）=3mol，则电池总反应式为3CH₄+6O₂+4KOH=K₂CO₃+2KHCO₃+7H₂O，则得到1molK₂CO₃和2molKHCO₃的溶液，则c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），
故答案为：c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

点评：本题考查了运用盖斯定律计算焓变、热化学方程式的书写、评价物质合成方案、影响化学平衡的因素、燃料电池、溶液中离子浓度大小关系等重要考点，涉及的知识点较多，综合性较强，难度较大．