Question

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．
已知：①CH₄（g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂（g）△H₁=+206.2kJ?mol^-1
②CH₄（g）+

1

2

O₂（g）=CO（g）+2H₂（g）△H₂=-35.4kJ?mol^-1
③CH₄（g）+2H₂O （g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H₃=+165.0kJ?mol^-1
（1）CH₄（g）与CO₂（g）反应生成CO（g）和H₂（g）的热化学方程式为

 

．
（2）从原料选择和能源利用角度，比较方法①和②，为合成甲醇，用甲烷制合成气的适宜方法为

 

（填序号），其原因是

 

．
（3）合成气中的H₂可用于生产NH₃，在进入合成塔前常用Cu（NH₃）₂Ac溶液来吸收其中的CO，防止合成塔中的催化剂中毒，其反应是：
Cu（NH₃）₂Ac+CO+NH₃?[Cu（NH₃）₃]Ac?CO△H＜0
Cu（NH₃）₂Ac溶液吸收CO的适宜生产条件应是

 

．
（4）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VL．
①O＜V≤44.8L时，电池总反应方程式为

 

；
②44.8L＜V≤89.6L时，负极电极反应为

 

；
③V=67.2L时，溶液中离子浓度大小关系为

 

．

Answer 1

分析：（1）根据盖斯定律结合已知热化学方程式分析；
（2）从能量角度和原子利用率角度两个方面分析；
（3）已知正反应是气体物质体积减小的放热反应，据此分析；
（4）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根据甲烷的量计算生成的二氧化碳的量，结合反应方程式判断反应产物及发生的反应．

解答：解：（1）根据盖斯定律可知，①×2-③可得CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g），所以其△H=[（+206.2）×2-（+165.0）]kJ?mol^-1=+247.4 kJ?mol^-1，所以CH₄（g）与CO₂（g）反应生成CO（g）和H₂（g）的热化学方程式为CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4 kJ?mol^-1，
故答案为：CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4 kJ?mol^-1；
（2）从能量角度比较，①是吸热反应，需要消耗更多能量，②是放热反应，不需要太多能量；从原子利用率角度，由于CO+2H₂→CH₃OH，①的产物中氢原子不可能全部变为CH₃OH，而②的产物中所有原子都可能全部变为CH₃OH；因此选②，甲烷不完全燃烧制合成气时放出热量，还得到物质的量之比为1：2的CO和H₂的混合气体，能恰好完全反应生成甲醇，
故答案为：②；选择CH₄不完全燃烧制合成气时，放出热量，同时得到的CO、H₂物质的量之比为1：2，能恰好完全反应合成甲醇；
（3）已知正反应是气态物质体积减小的放热反应，因此采用降低温度、增大压强能使平衡右移，提高CO的转化率，故答案为：低温、高压；
（4）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后发生反应①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
①当0＜V≤44.8 L时，0＜n（CH₄）≤2mol，则0＜n（CO₂）≤2mol，只发生反应①②，且KOH过量，则电池总反应式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案为：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②当44.8 L＜V≤89.6 L，2mol＜n（CH₄）≤4mol，则2mol＜n（CO₂）≤4mol，发生反应①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，则负极反应式为CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案为：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10 HCO₃^-；
③当V=67.2 L时，n（CH₄）=3mol，n（CO₂）=3mol，则电池总反应式为3CH₄+6O₂+4KOH=K₂CO₃+2KHCO₃+7H₂O，则得到1molK₂CO₃和2molKHCO₃的溶液，则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：本题考查了运用盖斯定律计算焓变、热化学方程式的书写、评价物质合成方案、影响化学平衡的因素、燃料电池、溶液中离子浓度大小关系等重要考点，涉及的知识点较多，综合性较强，难度较大．