Question

4．甲醇是一种重要的化工原料，又是一种可再生资源，具有开发和应用的广阔前景．
（1）已知：
CH₃OH（g）=HCHO（g）+H₂（g）△H=+84kJ/mol
2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ/mol
①工业上常以甲醇为原料制取甲醛，请写出CH₃OH（g）与O₂（g）反应生成HCHO（g）和H₂O（g）的热化学方程式：2CH₃OH（g）+O₂（g）=2HCHO（g）+2H₂O（g）△H=-316kJ•mol^-1．
②在上述制备甲醛时，常向反应器中通入适当过量的氧气，其目的是提高甲醇的转化率．
（2）工业上可用如下方法合成甲醛，化学方程式为CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g），已知某些化学键的键能数据如下表：

化学键	C-C	C-H	H-H	C-O	C≡O	O-H
键能/kJ/mol	348	413	436	358	x	463

请回答下列问题：
①如图中曲线a到曲线b的措施是加入催化剂．
②已知CO中的C与O之间为三键，其键能为xkJ/mol，则x=1097．
（3）由甲醇、氧气和NaOH溶液构成的新型手机电池，可使手机连续使用一个月才充一次电．
①该电池正极的电极反应式为O₂+2H₂O-4e^-=4OH^-．
②若以该电池为电源，用石墨作电极电解200mL含有如下离子的溶液．

离子	Cu2+	H+	Cl-	SO42-
c/mol/L	0.5	2	2	0.5

电解一段时间后，当两极收集到相同体积（相同条件下）的气体时（忽略溶液体积的变化及电极产物可能存在的溶液现象）阳极上收集到氧气的质量为3.2g．
（4）电解水蒸气和CO₂产生合成气（H₂+CO），较高温度下（700-1000℃），在SOEC两侧电极上施加一定的直流电压，H₂O和CO₂在氢电极发生还原反应产生O^2-，O^2-穿过致密的固体氧化物电解质层到达氧电极，在氧电极发生氧化反应得到纯O₂．由右图可知A为直流电源的负极（填“正极”或“负极”），请写出以H₂O为原料生成H₂的电极反应式：H₂O+2e^-=H₂↑+O^2-．

Answer 1

分析 （1）①已知：①CH₃OH（g）=HCHO（g）+H₂（g）△H=+84kJ/mol；②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ/mol，可利用盖斯定律将2×①+②得到CH₃OH（g）与O₂（g）反应生成HCHO（g）和H₂O（g）的热化学方程式，
②增大反应物浓度，则使平衡正向移动；
（2）①曲线a到曲线b，活化能降低，可加入催化剂；
②依据化学反应焓变=反应物键能总和-生成物键能总和来分析；
（3）①甲醇燃料电池中正极上氧气得电子生成二氧化碳，甲醇在负极失电子，碱溶液中生成碳酸盐；
②电解原理：阴极上显示铜离子得电子，然后是氢离子得电子产生氢气，在阳极上是氯离子失电子的反应，产生氯气，然后是氢氧根离子失电子产生氧气，一段时间后，当两极收集到相同体积（相同条件）的气体时，根据电子守恒计算阳极上收集到氧气的质量；
（4）由图示可知A极水、二氧化碳生成氢气、CO，应发生还原反应，为阴极反应．

解答 解：（1）①已知：①CH₃OH（g）=HCHO（g）+H₂（g）△H=+84kJ/mol；②2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O（g）△H=-484kJ/mol，将2×①+②得到CH₃OH（g）与O₂（g）反应生成HCHO（g）和H₂O（g）的热化学方程式为2CH₃OH（g）+O₂（g）=2HCHO（g）+2H₂O（g）△H=-316 kJ•mol^-1，
故答案为：2CH₃OH（g）+O₂（g）=2HCHO（g）+2H₂O（g）△H=-316 kJ•mol^-1；
②增大反应物浓度，则使平衡正向移动，提高甲醇的转化率，故答案为：提高甲醇的转化率；
（2）①曲线a到曲线b，活化能降低，应为加入催化剂，故答案为：加入催化剂；
 ②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）的焓变=反应物总键能之和-生成物总键能之和，设CO中碳氧键的键能为X，结合图表提供的化学键的键能，则△H═X+2×436KJ/mol-（3×413KJ/mol+358KJ/mol+463KJ/mol）=（419-510）kJ•mol^-1=-91kJ•mol^-1，解得：X=1097KJ/mol，
故答案为：1097；
（3）①①燃料电池，电池的一个电极通 入空气，另一个电极通入甲醇气体，电解质是氢氧化钠溶液，根据原电池原理，正极电极反应是O₂得到电子生成氢氧根离子^-：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，
故答案为：O₂+2H₂O-4e^-=4OH^-；
②阴极上显示铜离子得电子，Cu²⁺+2e^-=Cu，200mL0.5mol/L的铜离子得电子物质的量是0.2mol，然后是2H⁺+2e^-=H₂↑，在阳极上是0.4mol氯离子失电子的反应，产生氯气0.2mol，2Cl^--2e^-=Cl₂↑，转移电子是0.4mol，然后是氢氧根离子失电子产生氧气，4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，当两极收集到相同体积（相同条件）的气体时，假设产生氧气的物质的量是x，在阳极上产生气体是（0.2+x）mol，根据电子守恒，得到0.4+4x=0.2+2（0.2+x），解得x=0.1mol，即阳极上收集到氧气的质量为3.2 g，
故答案为：3.2 g；
（4）由图示可知A极水、二氧化碳生成氢气、CO，应发生还原反应，为阴极反应，则A为电源的负极，生成氢气的反应为H₂O+2e^-=H₂↑+O^2-，
故答案为：负极；H₂O+2e^-=H₂↑+O^2-．

点评 本题考查较为综合，涉及反应热与焓变、化学平衡的移动以及电解等知识，为高考常见题型，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，注意把握反应热的计算以及电解的工作原理，难度中等．