Question

甲醇是重要的化工原料，在工业生产上的应用十分广泛．
（1）利用太阳能或生物质能分解水制H₂，然后可将H₂与CO₂转化为甲醇．已知：光催化制氢：2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g）△H=+571.5kJ/mol；H₂与CO₂耦合反应：3H₂（g）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-137.8kJ/mol；则反应：2H₂O（l）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）的△H=

 

kJ/mol．
你认为该方法需要解决的技术问题有

 

（填字母）．
a．开发高效光催化剂
b．将光催化制取的H₂从反应体系中有效分离，并与CO₂耦合催化转化
c．二氧化碳及水资源的来源供应
（2）工业上由甲醇制取甲醛的两种方法如下（有关数据均为在298K时测定）：
反应I：CH₃OH（g）═HCHO（g）+H₂（g）△H₁=+92.09kJ/mol，K₁=3.92×10^-11．
反应Ⅱ：CH₃OH（g）+

1

2

O₂（g）═HCHO（g）+H₂O（g）△H₂=-149.73kJ/mol，K₂=4.35×10²⁹．
①从原子利用率看，反应

 

（填“I”或“Ⅱ”．下同）制甲醛的原子利用率更高．从反应的焓变和平衡常数K值看，反应

 

制甲醛更有利．
②图1是甲醇制甲醛有关反应的lgK（平衡常数的对数值）随温度T的变化．图中曲线（1）表示的是反应

 

．
（3）污水中的含氮化合物，通常先用生物膜脱氮工艺进行处理，在硝化细菌的作用下将NH₄⁺氧化为NO₃^-（2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺；2HNO₂+O₂═2HNO₃）．然后加入甲醇，甲醇和NO₃^-反应转化为两种无毒气体．
①上述方法中，1g铵态氮元素转化为硝态氮元素时需氧的质量为

 

g．
②写出加入甲醇后反应的离子方程式：

 

．
（4）甲醇燃料电池的工作原理如图2所示，则该电池负极的电极反应式为

 

．

Answer 1

考点：化学平衡的调控作用,反应热和焓变,常见化学电源的种类及其工作原理,化学平衡的影响因素

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题

分析：（1）根据盖斯定律，结合已知热化学方程式，计算求解；根据所以发生反应需要的条件可知需要解决的技术问题有：开发高效光催化剂；将光催化制取的氢从反应体系中有效分离，并与CO₂催化转化；
（2）①根据原子利用率表示目标产物的质量与生成物总质量之比来比较；根据平衡常数越大越有利于反应的进行；
②根据温度对平衡常数的影响；
（3）①依据2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺；2HNO₂+O₂═2HNO₃，定量关系计算需要氧气的量；
②酸性条件下，甲醇和硝酸根反应生成两种两种无毒气体，这两种气体是二氧化碳和氮气，根据反应物和生成物写出离子方程式；
（4）负极上燃料失电子发生氧化反应，正极上氧化剂得电子发生还原反应；

解答： 解：（1）光催化制氢：①2H₂O（l）═2H₂（g）+O₂（g）△H=+571.5kJ?mol^-1
H₂与CO₂耦合反应：②3H₂（g）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-137.8kJ?mol^-1
根据盖斯定律，把①×3+②×2得方程4H₂O（l）+2CO₂（g）→2CH₃OH（l）+3O₂（g）△H=571.5×3+（-137.8）×2=1438.9kJ?mol^-1；
则反应：2H₂O（l）+CO₂（g）═CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）的△H=718.9KJ/mol
根据所以发生反应需要的条件可知需要解决的技术问题有：开发高效光催化剂；将光催化制取的氢从反应体系中有效分离，并与CO₂催化转化，二氧化碳和水供应充足，不用考虑；
故答案为：719.5；ab；
（2）①因原子利用率表示目标产物的质量与生成物总质量之比，反应I的原子利用率为

30

32

×100%=93.7%，反应II的原子利用率为

30

48

×100%=62.5%；平衡常数越大越有利于反应的进行；故答案为：I；II；  
②因温度升高，反应I向正向移动，平衡常数增大，反应II逆向移动，平衡常数减小，故答案为：II；
（3）①2NH₄⁺+3O₂═2HNO₂+2H₂O+2H⁺；2HNO₂+O₂═2HNO₃，
2N～2NH₄⁺+～4O₂～2HNO₃，
28          4×32
1g            m
m=4.57g
1g铵态氮元素转化为硝态氮元素时需氧的质量为4.57g；
故答案为：4.57；
②酸性条件下，甲醇和硝酸根反应生成氮气、二氧化碳和水，离子方程式为：6NO₃^-+5CH₃OH+6H⁺═3N₂+5CO₂+13H₂O；
故答案为：6NO₃^-+5CH₃OH+6H⁺═3N₂+5CO₂+13H₂O；
（4）负极上甲醇失电子和水反应生成二氧化碳和氢离子，电极反应式为CH₃OH-6e^-+H₂O=CO₂+6H⁺，
故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂↑+6H⁺；

点评：本题考查了热化学方程式和离子方程式定量计算，原电池原理的应用，化学平衡常数影响因素图象分析是解题关键，题目难度中等．