Question

（18分）甲醇是一种重要的化工原料，在生产中有着重要应用。工业上用甲烷氧化法合成甲醇，反应流程中涉及如下反应（下列焓变数据均在25℃测得）：

（1）25℃时，用CH₄和O₂直接制备甲醇蒸气的热化学方程式为________________；

（2）某温度下，向容积为4 L的恒容密闭容器中通入6 molCO₂和6 mol CH₄，发生反应①，5 min后反应在该温度下达到平衡，这时测得反应体系中各组分的体积分数相等，则该反应在0～5 min内的平均反应速率v（CO）=________mol·L^-1·min^-1；在相同温度下，将上述反应改在某恒压容器内进行，该反应的平衡常数________（填“增大”“不变”或“减小”）；

（3）工业上可通过甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，25℃时，其反应的热化学方程式为：

科研人员对该反应进行了研究，部分研究结果如下图所示：

①根据反应体系的压强对甲醇转化率的影响并综合考虑生产成本因素，在下列各压强数据中，工业上制取甲酸甲酯应选择的是_______（填下列序号字母）

a．3.5×10⁶Pa         b．4.0×l0⁶Pa         c．5.0×10⁶Pa

②用上述方法制取甲酸甲酯的实际工业生产中，采用的温度是80℃，其理由是______________

（4）直接甲醇燃料电池（简称DMFC）由于其结构简单、能量转化率高、对环境无污染、可作为常规能源的替代品而越来越受到关注。DMFC的工作原理如图所示：

①通入气体a的电极是电池的_____（填“正”或“负”）极，其电极反应式为__________；

②25℃时，用此电池以石墨作电极电解0.5 L饱和食盐水（足量），若两极生成的气体共1．12 L（已折算为标准状况下的体积），则电解后溶液的pH为_____（忽略溶液体积的变化）。

Answer

（1）2CH4（g）+O2（g） 2CH3OH（g） ∆H=-251.6kJ∙mol-1 ；（3分）（2）0.2（2分）； 不变（2分）（3）①b；（2分）②高于80℃时，温度对反应速率影响较小，又因反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低 （2分）（4）①负（1分）；CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+ （3分）②13；（3分）

【解析】

试题分析：（1）利用盖斯定律，将①×2+②×2-③可得CH4和O2直接制备甲醇蒸气的热化学方程式：2CH4（g）+O2（g） 2CH3OH（g） ∆H=247.3 ×2-90.1×2 -566= -251.6kJ∙mol-1 。（2）设达到平衡时CH4反应了xmol，则有：

CH4（g）+CO2（g） 2CO （g）+2H2（g）

n（起始 6 6 0 0

n（变化） x x 2x 2x

n（平衡） 6-x 6-x 2x 2x ，各物质的体积分数相同，则6-2x=2x，得x=2mol，达到平衡时CO的物质的量为4mol，浓度为1mol/L，故0～5 min内的v（CO）=0.2mol·L-1·min-1；平衡常数只与温度有关，温度没有改变，平衡常数不变。（3）①压强应该选择4.0×l06Pa ，因为在此压强下转化率较高，再增大压强转化率变化不大，生成成本会增高。②采用的温度是80℃，因为高于80℃时，温度对反应速率影响较小，又因反应放热，升高温度时平衡逆向移动，转化率降低。（4）①根据工作原理图，电子的流向，所以左边是负极，负极的电极反应为：CH3OH+H2O-6e-=CO2+6H+②电解食盐水的化学方程式为：2NaCl+2H2O2NaOH+ H2↑+Cl2↑，两极生成的气体共1．12 L物质的量为0.05mol，则每极生成0.025mol，根据反应方程式生成NaOH的物质的量为0.05mol，则n（OH-）=0.05mol/0.5L=0.1mol/L,所以溶液的pH为13。

考点：盖斯定律的运用、化学反应速率的计算、原电池的工作原理、电解池的工作原理。