Question

12．水煤气法制甲醇工艺流程框图如下：

 （注：除去水蒸气后的水煤气含55～59%的H₂，15～18%的CO，11～13%的CO₂，少量的H₂S、CH₄，除去H₂S后，可采用催化或非催化转化技术，将CH₄转化成CO，得到CO、CO₂和H₂的混合气体，是理想的合成甲醇原料气，即可进行甲醇合成）
（1）将CH₄转化成CO，工业上常采用催化转化技术，其反应原理为：
CH₄ （g）+$\frac{3}{2}$O₂ （g）?CO（g）+2H₂O （g）△H=-519KJ•mol^-1．工业上要选择合适的催化剂，分别对X、Y、Z三种催化剂进行如下实验（其他条件相同）
①X在T₁℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
②Y在T₂℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
③Z在T₃℃时催化效率最高，能使逆反应速率加快约1×10⁶倍；
已知：T₁＞T₂＞T₃，根据上述信息，你认为在生产中应该选择的适宜催化剂是Z（填“X”或“Y”或“Z”），选择的理由是催化活性高、速度快、反应温度较低．
（2）合成气经压缩升温后进入10m³甲醇合成塔，在催化剂作用下，进行甲醇合成，主要反应是：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-181.6kJ•mol^-1．T₄℃下此反应的平衡常数为160．此温度下，在密闭容器中加入CO、H₂，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

物质	H2	CO	CH3OH
浓度/（mol•L-1）	0.2	0.1	0.4

①比较此时正、逆反应速率的大小：v_正＞v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入同样多的CO、H₂，在T₅℃反应，10 min后达到平衡，此时c（H₂）=0.4 mol•L^-1，则该时间内反应速率v（CH₃OH）=0.03mol•（L•min）^-1．
（3）生产过程中，合成气要进行循环，其目的是提高原料CO、H₂的利用率（或提高产量、产率亦可）；．
（4）下图1为“镁-次氯酸盐”燃料电池原理示意图，电极为镁合金和铂合金．

E为该燃料电池的负极极（填“正”或“负”）．F电极上的电极反应式为ClO^-+2e^-+H₂O═Cl^-+2OH^-．
（5）乙醛酸（HOOC-CHO）是有机合成的重要中间体．工业上用“双极室成对电极室均可产生乙醛酸，其中乙二醛与M电极的产物反应生成乙醛酸．
①在N电极上乙二酸生成乙醛酸的电极反应式为HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O．
②若有2molH⁺通过质子交换膜完全参与反应，则生成的乙醛酸为2mol．

Answer 1

分析 （1）该反应正反应为放热反应，应选择催化活性高、速度快、反应温度较低；
（2）①计算此时的浓度商Qc，与平衡常数比较，判断反应进行的方向，进而判断正、逆反应速率的相对大小；
②与表中数据相比，根据氢气浓度变化量计算甲醇的浓度变化量，进而计算平衡时甲醇的浓度，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₃OH）；
（3）合成气进行循环，可以提高原料利用率及生成物的产率；
（4）原电池中失电子的为负极；正极上ClO^-得电子生成氯离子；
（5）①N电极上HOOC-COOH得电子，再氢离子参与反应条件下生成HOOC-CHO；
②2mol H⁺通过质子交换膜，则电池中转移2mol电子，N极电极反应式为：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O，M极电极反应式为：OHC-CHO-2e^-+H₂O═HOOC-CHO+2H⁺，两极均有乙醛酸，再结合电极方程式计算．

解答 解：（1）该反应正反应为放热反应，应选择催化活性高、速度快、反应温度较低，故选择Z，
故答案为：Z；催化活性高、速度快、反应温度较低；
（2）①由表中数据可知，10min时氢气的浓度为0.2mol/L、CO的浓度为0.1mol/L、甲醇的浓度为0.4mol/L，则此时的浓度商Qc=$\frac{0.4}{0．{2}^{2}×0.1}$=100，小于平衡常数160，故反应向正反应方向进行，故V_正＞V_逆，故答案为：＞；
②若加入同样多的CO、H₂，在T₅℃反应，10 min后达到平衡，此时c（H₂）=0.4 mol•L^-1，与表中数据相比，可知氢气的浓度变化量为0.4mol/L-0.2mol/L=0.2mol/L，故甲醇的浓度变化量为0.2mol/L×$\frac{1}{2}$=0.1mol/L，即平衡时甲醇为0.4mol/L-0.3mol/L，故v（CH₃OH）=$\frac{0.3mol/L}{10min}$=0.03mol/（L•min），
故答案为：0.03；
（3）生产过程中，合成气要进行循环，提高原料CO、H₂的利用率，
故答案为：提高原料CO、H₂的利用率（或提高产量、产率亦可）；
（4）“镁-次氯酸盐”燃料电池中失电子的为负极，则Mg为负极；正极上ClO^-得电子生成氯离子，则正极的电极反应式为：ClO^-+2e^-+H₂O═Cl^-+2OH^-；
故答案为：负；ClO^-+2e^-+H₂O═Cl^-+2OH^-；
（5）①N电极上HOOC-COOH得电子生成HOOC-CHO，则电极反应式为：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O，
故答案为：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O；
②N极电极反应式为：HOOC-COOH+2e^-+2H⁺═HOOC-CHO+H₂O，M极电极反应式为：OHC-CHO-2e^-+H₂O═HOOC-CHO+2H⁺，2mol H⁺通过质子交换膜，则电池中转移2mol电子，可知每一极生成1mol乙醛酸，由于两极均有乙醛酸生成所以生成的乙醛酸为2mol．
故答案为：2．

点评 本题考查化学平衡计算、原电池原理和电解池原理，是对学生综合能力的考查，（5）中乙醛酸的计算为易错点，学生容易忽略两极都生成乙醛酸，题目难度中等．