题目内容

2.甲醇是一种重要的化工原料,在生产中有着重要的应用.工业上用甲烷氧化法合成甲醇的反应有:
(i)CH4(g)+CO2(g)?2CO(g)+2H2(g)△H1=+247.3kJ•mol-1
(ii)2CO(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直接制备甲醇蒸气的热化学力程式为2CH4(g)+O2(g)?2CH3OH(g)△H=-251.6kJ•mol-1.
(2)在容积相同的一个恒容密闭容器I、Ⅱ、Ⅲ中均充入1mol CO和2mol H2,发生反应(ii),三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且恒定不变.如图1为三个容器中的反应均进行到t min时CO的体积分数示意图.此时,三个容器中一定达到平衡状态的是容器Ⅲ:当三个容器中的反应均达到平衡状态时,CO的转化率最低的是容器Ⅲ,平衡常数最大的是容器Ⅰ.
CH3OH(g)+CO(g)?HCOOCH3(g)△H=-29.1kJ•mol-1
(3)工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯,其反应的热化学方程式为
科研人员对该反应进行了研究,部分研究结果如图2和图3:

①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率”看,工业制取甲酸甲酯应选择的压强是4.0×106Pa(填“3.5×106Pa”“4.0×106Pa”或“5.0×106Pa”).
②实际工业生产中采用的温度是80℃.其理由是高于80℃时,温度对反应速率影响较小,且反应放热,升高温度时平衡逆向移动,转化率降低.
(4)直接甲醇燃料电池(简称DMFC)其结构简单、能量转化率高、对环境无污染,可作为常规能源的替代品而越来越受到关注.DMFC的工作原理如图4所示:
①通入b气体的电极是电池的正(填”正”或“负”)极,通入a气体的电极放电时的电极反应式为CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+.
②常温下,用此电池以惰性电极电解0.5L硫酸铜溶液(足量).若阴极质量增重1.6g.则电解后溶液的pH为1(忽略溶液的体积变化).

分析 (1)根据盖斯定律计算书写热化学方程式,根据(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)得到所需热化学方程式;
(2)2CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H2=-90.1kJ•mol-1,这是一个热反应放,三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且T1<T2<T3,若未达平衡,温度越高反应速率越快,相同时间内氮气的含量越低,tmin时,氮气的含量Ⅲ比Ⅱ和Ⅰ高,故Ⅲ到达平衡;对于放热反应而言,温度高会向吸热方向进行程度更大,所以CO的转化率随温度升高而降低,当三个容器中的反应均达到平衡状态时,CO的转化率最低的是容器是温度最高的容器Ⅲ;反应进程越大,转化率越高,平衡常数越大,所以平衡常数平衡常数最大的是转化率最大的容器,即温度最低的容器Ⅰ;
(3)①依据转化率曲线分析判断,图象中转化率变化最大的是4.0×106Pa;
②图象分析速率随温度变化的趋势分析回答,温度在高于80°C对反应速率影响不大,反应是放热反应,温度过高,平衡逆向进行,不利于转化率增大;
(4)①根据图知,交换膜是质子交换膜,则电解质溶液呈酸性,根据氢离子移动方向知,通入a的电极为负极、通入b的电极为正极,负极上甲醇失去电子发生氧化反应;
②根据电解池的工作原理和电极方程式来计算.

解答 解:(1)根据(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直接制备甲醇蒸气的热化学方程式为2CH4(g)+O2(g)?2CH3OH(g)△H=-251.6kJ•mol-1,
故答案为:2CH4(g)+O2(g)?2CH3OH(g)△H=-251.6kJ•mol-1;
(2)2CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H2=-90.1kJ•mol-1,这是一个热反应放,三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且T1<T2<T3,若未达平衡,温度越高反应速率越快,相同时间内氮气的含量越低,tmin时,氮气的含量Ⅲ比Ⅱ和Ⅰ高,故Ⅲ到达平衡;对于放热反应而言,温度高会向吸热方向进行程度更大,所以CO的转化率随温度升高而降低,当三个容器中的反应均达到平衡状态时,CO的转化率最低的是容器是温度最高的容器Ⅲ;反应进程越大,转化率越高,平衡常数越大,所以平衡常数平衡常数最大的是转化率最大的容器,即温度最低的容器Ⅰ,
故答案为:Ⅲ;Ⅲ;Ⅰ;
(3)①从反应压强对甲醇转化率的影响“效率“看,图象中转化率变化最大的是4.0×106Pa,
故答案为:4.0×106Pa;
②依据图象分析温度在高于80°C对反应速率影响不大,反应是放热反应,温度过高,平衡逆向进行,不利于转化率增大,
故答案为:高于80℃时,温度对反应速率影响较小,且反应放热,升高温度时平衡逆向移动,转化率降低;
(4)①根据图知,交换膜是质子交换膜,则电解质溶液呈酸性,根据氢离子移动方向知,通入a的电极为负极、通入b的电极为正极,负极上甲醇失去电子发生氧化反应,负极反应式为 CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+,正极上氧气得电子发生还原反应,电极反应式为O2+4e-+4H+=2H2O,
故答案为:正;CH3OH-6e-+H2O=CO2+6H+;
②用此电池以惰性电极电解0.5L硫酸铜溶液(足量),电解反应离子方程式为:2Cu2++2H2O$\frac{\underline{\;通电\;}}{\;}$2Cu+4H++O2↑,当若阴极质量增重1.6g时,则生成铜的质量为1.6g,物质的量为0.025mol,所以产生的氢离子的物质的量为0.05mol,氢离子的浓度为:c=$\frac{n}{V}$=$\frac{0.05mol}{0.5L}$=0.1mol/L,所以PH=-lgc(H+)=-lg0.1=1,
故答案为:1.

点评 本题考查了盖斯定律的应用、热化学方程式的计算书写、化学平衡的计算、图象分析判断以及电化学的知识等,注意掌握基础知识的掌握,题目难度中等.

练习册系列答案
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10.醋酸亚铬水合物[Cr(CH3COO)2]2•2H2O(相对分子质量为376)是一种为红棕色晶体,极易被氧气氧化,微溶于乙醇,不溶于水和乙醚(易挥发的有机溶剂).
实验原理:
(1)用锌将三价铬还原为二价或将正六价铬还原为二价铬,再与醋酸钠溶液作用制得[Cr(CH3COO)2]2•2H2O.写出下列实验中反应的离子方程式2Cr3++Zn+4CH3COO-+2H2O═Zn2++[Cr(CH3COO)2]2•2H2O(用一个方程式表示).
实验装置:如图.    
实验步骤:
①检查装置气密性后,往三颈烧瓶中依次加入过量锌粒、适量CrCl3溶液.
②关闭K2打开K1,旋开分液漏斗的旋塞并控制好滴速.
③待三颈烧瓶内的溶液由深绿色(Cr3+)变为亮蓝色(Cr2+)时,把溶液转移到装置乙中,当出现大量红棕色晶体时,关闭分液漏斗的旋塞.
④将装置乙中混合物快速过滤、洗涤和干燥,称量.
实验问题与探究:
(2)仪器b的名称是分液漏斗.导管a的作用是平衡压强,有利于分液漏斗内的液体顺利滴下、并导气.
(3)实现步骤③中溶液自动转移至装置乙中的实验操作为关闭K1,打开K2.
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(5)若使用该装置制备Fe(OH)2,且能较长时间看到Fe(OH)2白色沉淀现象.则在乙装置中应加入的试剂为NaOH(写化学式)溶液.
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