Question

6．据报道，在青藏高原冻土的一定深度下，发现了储量巨大的“可燃冰”，它主要是甲烷和水形成的水合物（CH₄?nH₂O）．
（1）在常温常压下，“可燃冰”会发生分解反应，其化学方程式是CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O．
（2）甲烷可制成合成气（CO、H₂），再制成甲醇，代替日益供应紧张的燃油．
①方法一：在101kPa时，1.6g CH₄ （g）与H₂O（g）反应生成CO、H₂，吸热20.64kJ．则甲烷与H₂O（g）反应的热化学方程式为CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1．
方法二：CH₄不完全燃烧也可制得合成气：CH₄（g）+O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H=-35.4kJ•mol^-1．则从原料选择和能源利用角度，比较方法一和二，合成甲醇的适宜方法为方法二（填“方法一”或“方法二”）；原因是CH₄不完全燃烧制合成气时，放出热量，同时得到的CO、H₂的化学计量数之比为1：2，能恰好完全反应合成甲醇．
②在温度为T，体积为10L的密闭容器中，加入1mol CO、CO、2mol H₂，发生反应CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△H=-Q kJ•mol^-1 （Q＞0），达到平衡后的压强是开始时压强的0.6倍，放出热量Q₁ kJ．
a．H₂的转化率为60%．
b．在相同条件下，若起始时向密闭容器中加入a mol CH₃OH（g），反应平衡后吸收热量Q₂ kJ，且Q₁+Q₂=Q，则a=1mol．
（3）将CH₄设计成燃料电池，其利用率更高，装置示意如图（A、B为多孔性碳棒）．持续通入甲烷，在标准状况下，消耗甲烷体积V L．
①0＜V≤44.8L时，电池总反应方程式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O．
②44.8L＜V≤89.6L时，负极电极反应为CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-．
③V=67.2L时，溶液中离子浓度大小关系为c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺）．

Answer 1

分析 （1）在常温常压下，“可燃冰”会发生分解反应生成甲烷与水；
（2）①在101kPa时，1.6g CH₄ （g）与H₂O（g）反应生成CO、H₂，吸热20.64kJ，则1mol甲烷反应吸收热量为206.4kJ，注明物质的聚集状态与反应热书写热化学方程式；
CH₄不完全燃烧制合成气时，放出热量，同时得到的CO、H₂的化学计量数之比为1：2，能恰好完全反应合成甲醇；
②a．恒温恒容下，利用压强之比等于气体物质的量之比计算平衡时混合气体总物质的量，再利用差量法计算参加反应氢气物质的量，进而计算氢气转化率；
b．若Q₁+Q₂=Q，则与原平衡为等效平衡，按化学计量转化到方程式一边，对应组分的量相等；
（3）①n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，该装置是燃料电池，负极上甲烷失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，根据原子守恒得0＜n（CO₂）≤2mol，二氧化碳不足量，则反应生成碳酸钾；
②根据原子守恒得2mol＜n（CO₂）≤4mol，反应生成碳酸氢钾；
③当V=67.2L时，n（CO₂）=3mol，设碳酸钾的物质的量为x、碳酸氢钾的物质的量为y，根据K原子、C原子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+y=4}\end{array}\right.$，解得$\left\{\begin{array}{l}{x=1}\\{y=2}\end{array}\right.$，溶液中碳酸根、碳酸氢根离子水解，溶液呈碱性，碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子．

解答 解：（1）在常温常压下，“可燃冰”会发生分解反应生成甲烷与水，反应方程式为：CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O，
故答案为：CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O；
（2）①在101kPa时，1.6g CH₄ （g）与H₂O（g）反应生成CO、H₂，吸热20.64kJ，则1mol甲烷反应吸收热量为206.4kJ，热化学方程式为CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
方法二中，CH₄不完全燃烧制合成气时，放出热量，同时得到的CO、H₂的化学计量数之比为1：2，能恰好完全反应合成甲醇，而方法一吸收热量，得到CO、H₂的化学计量数之比为1：3，不能恰好转化为甲醇，故方法二更好，
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
方法二，CH₄不完全燃烧制合成气时，放出热量，同时得到的CO、H₂的化学计量数之比为1：2，能恰好完全反应合成甲醇；
②a．恒温恒容下，压强之比等于气体物质的量之比，则平衡时混合气体总物质的量为（1+2）mol×0.6=1.8mol，则：
CO（g）+2H₂ （g）?CH₃OH（g）△n
        2                     2
        1.2mol              3mol-1.8mol=1.2mol
故氢气的转化率为$\frac{1.2mol}{2mol}$×100%=60%，
故答案为：60%；
b．若Q₁+Q₂=Q，则与原平衡为等效平衡，按化学计量转化到方程式一边，对应组分的量相等，1mol CO、CO、2mol H₂完全转化可以得到1mol CH₃OH，则a=1，
故答案为：1；
（3）①n（KOH）=2mol/L×2L=2mol，该装置是燃料电池，负极上甲烷失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，根据原子守恒得0＜n（CO₂）≤$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol，二氧化碳不足量，则反应生成碳酸钾，电池总反应方程式为：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案为：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②44.8L＜V≤89.6L时，根据原子守恒得$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol＜n（CO₂）≤$\frac{89.6L}{22.4L/mol}$=4mol，反应生成碳酸氢钾，负极反应式为CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案为：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
③当V=67.2L时，n（CO₂）=$\frac{67.2L}{22.4L/mol}$=3mol，设碳酸钾的物质的量为x、碳酸氢钾的物质的量为y，根据K原子、C原子守恒得$\left\{\begin{array}{l}{x+y=3}\\{2x+y=4}\end{array}\right.$，解得$\left\{\begin{array}{l}{x=1}\\{y=2}\end{array}\right.$，溶液中碳酸根、碳酸氢根离子水解，溶液呈碱性，碳酸根离子水解程度大于碳酸氢根离子，所以溶液中离子浓度大小顺序为：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 本题比较综合，涉及化学平衡计算与影响因素、热化学方程式书写、原电池、离子浓度大小比较等，侧重考查学生分析计算能力，难度较大．