Question

甲醇是一种常见的燃料，也是重要的基础化工原料。回答下列问题：

（1）采用甲醇气相氨化法可制得二甲胺。

已知：2CH₃OH(g)＋3O₂(g) 2CO₂(g)＋4H₂O(g)       ∆H₁＝-3122 kJ/mol

4NH₃(g)＋3O₂(g) 2N₂(g)＋6H₂O(g)                 ∆H₂＝-472 kJ/mol

4(CH₃)₂NH(g)＋15O₂(g) 8CO₂(g)＋14H₂O(g)＋2N₂(g)  ∆H₃＝-7492 kJ/mol

则制备二甲胺反应2CH₃OH(g)＋NH₃(g) (CH₃)₂NH(g)＋2H₂O(g) 的∆H＝_____ kJ/mol。

（2）一定条件下，甲醇气相氨化法原料气中c(CH₃OH):c(NH₃)分别为1:1、2:1、3:1时，NH₃的平衡转化率随温度变化的关系如图：

①代表原料气中c(CH₃OH):c(NH₃)＝1:1的曲线是________。

②一定温度下，控制原料气中c(CH₃OH):c(NH₃)＝3:1，能增大NH₃平衡转化率的措施是_______。

③温度为443 K时，按c(CH₃OH):c(NH₃)＝2:1投料，若NH₃的起始浓度为2 mol/L，则反应达到平衡时，(CH₃)₂NH的体积分数为_______，该温度下的化学平衡常数为________ 。

（3）甲醇可通过电化学方法由甲烷直接制得，装置如下图所示，电解生成CH₃OH的过程分为3步：

①通电时，氯离子先转化为高活性的原子氯（Cl·）；

②Cl·与吸附在电极上的CH₄反应生成HCl和CH₃Cl；

③在碱性电解液中，CH₃Cl转化为目标产物CH₃OH。

步骤①的电极反应式为__________，步骤③的离子方程式为__________，维持电流强度为1.5 A，装置工作2小时，理论上可制得CH₃OH的质量为________ g。（已知F＝96500 C/mol，不考虑气体溶解等因素）

Answer

-1367 c 及时移去产物 8.3%或 或0.037 Cl－－e－= Cl· CH3Cl＋OH－=CH3OH＋Cl－ 1.8

【解析】

(1)已知：

a．2CH3OH(g)＋3O2(g) 2CO2(g)＋4H2O(g) ∆H1＝-3122 kJ/mol；

b．4NH3(g)＋3O2(g) 2N2(g)＋6H2O(g) ∆H2＝-472 kJ/mol；

c．4(CH3)2NH(g)＋15O2(g) 8CO2(g)＋14H2O(g)＋2N2(g) ∆H3＝-7492 kJ/mol；

根据盖斯定律a+b-c可得反应2CH3OH(g)＋NH3(g) (CH3)2NH(g)＋2H2O(g) 的∆H＝-3122 kJ/mol+×(-472 kJ/mol)-×(-7492 kJ/mol)= -1367 kJ/mol；

(2)①假设氨气的浓度不变，改变甲醇的浓度，则甲醇的浓度越大，相同条件下，氨气的转化率越高，所以题目所给三种投料比中，当c(CH3OH):c(NH3)为1:1时，氨气的转化率最小，即曲线c代表c(CH3OH):c(NH3)＝1:1；

②温度一定，投料比一定，该反应前后气体系数之和相同，即压强不影响平衡，所以需要及时移去产物，使平衡正向移动，可以增大氨气的转化率；

③根据第①题可知c(CH3OH):c(NH3)＝2:1投料时转化率对应的曲线为b，则443K为氨气的平衡转化率为25%，起始浓度c(NH3)=2mol/L，则c(CH3OH)=4mol/L，列三段式有：

恒容密闭容器中体积分数和浓度占比相等，所以(CH3)2NH的体积分数为=8.3%(或)；平衡常数K==或0.037；

(3)步骤①中Cl-转化为Cl·，Cl-需要失去电子，所以为阳极，电极反应式为Cl－－e－= Cl·；③在碱性电解液中，CH3Cl转化为目标产物CH3OH根据元素守恒可得离子方程式为：CH3Cl＋OH－= CH3OH＋Cl－；维持电流强度为1.5A，电解2小时，时间为7200s，F=96500C•mol-1，则转移电子mol，左侧电极生成甲醇的过程存在数量关系：CH4~2Cl·~CH3Cl~CH3OH~2e-，所以生成的甲醇的物质的量为()mol，质量为()mol×32g/mol=1.8g。