Question

16．甲醇是重要的化工原料，气态甲醇催化脱氢制备甲醛转化的能量关系如图所示．
（1）甲醇脱氢转化为甲醛是吸热反应，（填“放热”或“吸热”），过程Ⅰ与过程Ⅱ的反应热相同（填“相同”或“不同”），E₄-E₃的含义是降低的活化能值．
（2）工业上用甲烷氧化法合成甲醇的反应有：
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
用CH₄和0₂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．
（3）甲醇可用于制备绿色碱性燃料电池，既可提高能源利用率，又利于分环境保护．甲醇、KOH溶液、空气构成的燃料电池工作时负极的电极反应式为CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O．
（4）用此电池作电源进行模拟工业上精炼铜，则应用粗铜（含Fe、Zn、Ag、Au等杂质）作电解池的阳极，该电极发生反应的电极反应为Cu-2e^-=Cu²⁺，若阴极增重19.2g，则理论上需要甲醇3.2g．

Answer 1

分析 （1）反应物的总能量比生成物的总能量低，为吸热反应，反之为放热反应，通过比较反应物和生成物的总能量的角度来得出反应吸热；反应热取决于反应物和生成物的总能量的大小，与起始状态和反应的最终状态有关，而与反应的途径无关；E₄-E₃为降低了反应的活化能值；
（2）已知：（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
根据盖斯定律，i×2+2×ii+iii可得：2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）；
（3）原电池负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水；
（4）电解法精炼铜时，粗铜作阳极，与电源的正极相连，主要反应为铜失去电子，纯铜作阴极，与电源的负极相连；若用该电池电解精炼铜，依据串联电路中各个电极转移电子数相同，依据电子守恒计算理论上需要甲醇的质量．

解答 解：（1）通过图象可以看出，反应物的总能量比生成物的总能量低，故为吸热反应，一个化学反应的热效应仅与反应的起始状态和反应的最终状态有关，与反应的途径无关，仅取决于反应物和生成物的总能量的大小，过程Ⅰ与过程Ⅱ的反应热是相同的，过程Ⅱ与过程Ⅰ比较活化能减小，E₄-E₃为降低了反应的活化能值，
故答案为：吸热；相同；降低的活化能值；
（2）已知：（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
根据盖斯定律，i×2+2×ii+iii可得：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；
（3）原电池负极发生氧化反应，甲醇在负极失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水，负极电极反应式为：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O，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：CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O；
（4）电解精炼铜时，粗铜应作阳极，电解池的阴极材料是纯铜，阳极主要电极反应为：Cu-2e^-=Cu²⁺，电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，Fe、Zn比Cu活泼，故Fe、Zn在阳极比Cu更容易失去电子，变成Fe²⁺、Zn²⁺进入溶液；在阴极，Fe²⁺、Zn²⁺比Cu²⁺难于得到电子，因此不能在阴极析出，最终留在溶液中，Cu比Ag、Au活泼，故Ag、Au在阳极比Cu难于失去电子，因此不能溶解进入溶液，最终以阳极泥的形式沉淀出来，所以电解精炼铜，阴极电极反应为：Cu²⁺+2e^-=Cu，每转移2mol电子，析出64g铜，所以阴极质量增重19.2g时，转移电子数为：$\frac{19.2g}{64g/mol}$×2=0.6mol，电池与电解池为串联，所以当电解池中转移0.6mol电子，电池中转移电子数为0.6mol，依据CH₃OH-6e^-+8OH^-=CO₃^2-+6H₂O可知需0.1mol甲醇，质量为m=nM=0.1mol×32g/mol=3.2g，
故答案为：3.2．

点评 本题主要考查了反应中能量的变化、热化学方程式的书写、电解池工作原理及相关计算，理清甲醇和氢气的热量关系、熟悉原电池、电解池工作原理及各个电极发生反应是解答本题的关键，题目难度中等．