Question

甲烷可制成合成氣（CO、H₂），再制成甲醇，代替日益供應(yīng)緊張的燃油。
已知：①CH₄ (g) ＋ H₂O (g)= CO (g)＋3H₂ (g)      △H₁=+206.2kJ·mol^－1
② CH₄（g）＋O₂（g）=CO（g）＋2H₂（g） △H₂=－35.4 kJ·mol^－1
③CH­­₄ (g) ＋ 2H₂O (g) =CO­₂ (g) ＋4H₂ (g)     △H₃="+165.0" kJ·mol^－1
（1）CH₄(g)與CO₂ (g)反應(yīng)生成CO(g)和H₂(g)的熱化學(xué)方程式為           。
（2）從原料選擇和能源利用角度，比較方法①和②，為合成甲醇，用甲烷制合成氣的適宜方法為           （填序號(hào)），其原因是           。
（3）合成氣中的H₂可用于生產(chǎn)NH₃，在進(jìn)入合成塔前常用Cu(NH₃)₂Ac溶液來吸收其中的CO，防止合成塔中的催化劑中毒，其反應(yīng)是：
Cu(NH₃)₂Ac + CO + NH₃ [Cu(NH₃)₃]Ac·CO △H＜0
Cu(NH₃)₂Ac溶液吸收CO的適宜生產(chǎn)條件應(yīng)是          。
（4）將CH₄設(shè)計(jì)成燃料電池，其利用率更高，裝置示意如右圖（A、B為多孔性碳棒）。持續(xù)通入甲烷，在標(biāo)準(zhǔn)狀況下，消耗甲烷體積VL。

① 0<V≤44.8 L時(shí)，電池總反應(yīng)方程式為            ；
② 44.8 L<V≤89.6 L時(shí)，負(fù)極電極反應(yīng)為            ；
③ V="67.2" L時(shí)，溶液中離子濃度大小關(guān)系為            。

Answer 1

（14分）（1）CH₄ (g)+CO₂ (g)=2CO (g)+2H₂ (g)  △H="+247.4" kJ·mol^－1（2分）
（2）②（2分）  選擇CH₄不完全燃燒制合成氣時(shí)，放出熱量，同時(shí)得到的CO、H₂物質(zhì)的量之比為1∶2，能恰好完全反應(yīng)合成甲醇（2分）
（3）低溫、高壓（2分）
（4）①CH₄ +2O₂ +2KOH=K₂CO₃+3H₂O（2分）
②CH₄—8e^－+ 9CO₃^2－+3H₂O=10HCO₃^－（2分）
③c(K^＋)＞c(HCO₃^－)＞c(CO₃^2－)＞c(OH^－)＞c(H⁺) （2分）

試題分析：（1）根據(jù)蓋斯定律，①×2—③可約去H₂O(g)，則CH₄(g)+CO₂ (g)=2CO(g)+2H₂(g)的△H=①的△H×2—③的△H=[（+206.2）×2—（+165.0）] kJ·mol^－1="+247.4" kJ·mol^－1；（2）從能量角度比較，①是吸熱反應(yīng)，需要消耗更多能量，②是放熱反應(yīng)，不需要太多能量；從原子利用率角度，由于CO+2H₂→CH₃OH，①的產(chǎn)物中氫原子不可能全部變?yōu)镃H₃OH，而②的產(chǎn)物中所有原子都可能全部變?yōu)镃H₃OH；因此選②，甲烷不完全燃燒制合成氣時(shí)放出熱量，還得到物質(zhì)的量之比為1∶2的CO和H₂的混合氣體，能恰好完全反應(yīng)生成甲醇；（3）由于正反應(yīng)是氣態(tài)物質(zhì)體積減小的放熱反應(yīng)，因此采用降低溫度、增大壓強(qiáng)能使平衡右移，提高CO的轉(zhuǎn)化率，防止催化劑中毒；（4）n(KOH)=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應(yīng)①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O =2KHCO₃；當(dāng)0<V≤44.8 L時(shí)，0<n(CH₄)≤2mol，則0<n(CO₂)≤2mol，只發(fā)生反應(yīng)①②，且KOH過量，則電池總反應(yīng)式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，負(fù)極反應(yīng)式為CH₄—8e^—+10OH^—=CO₃^2—+7H₂O；當(dāng)44.8 L<V≤89.6 L，2mol <n(CH₄)≤4mol，則2mol <n(CO₂)≤4mol，發(fā)生反應(yīng)①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，則負(fù)極反應(yīng)式為CH₄—8e^—+ 9CO₃^2—+3H₂O =10HCO₃^—；當(dāng)V="67.2" L時(shí)，n(CH₄)=3mol，n(CO₂)=3mol，則電池總反應(yīng)式為3CH₄+6O₂+4KOH=K₂CO₃+2KHCO₃+7H₂O，則得到1mol K₂CO₃和2mol KHCO₃的溶液，則c(K^＋)＞c(HCO₃^－)＞c(CO₃^2－)＞c(OH^－)＞c(H⁺)。