Question

【題目】天然氣、可燃冰、頁巖氣、沼氣的主要成分都是甲烷，甲烷既是一種清潔能源，也是一種重要的化工原料。

(1)以甲烷為主要原料可生產合成氣(CO和H2)。

已知：①CH4(g)＋2O2(g)===CO2(g)＋2H2O(g)

ΔH＝－802.3 kJ·mol－1

②CO(g)＋H2O(g) CO2(g)＋H2(g)

ΔH＝－41.0 kJ·mol－1

③2CO(g)＋O2(g)===2CO2(g)

ΔH＝－566.0 kJ·mol－1

則反應CO2(g)＋CH4(g) 2CO(g)＋2H2(g)的ΔH＝__________________。

(2)以二氧化鈦表面覆蓋Cu2Al2O4為催化劑，可以將CO2和CH4直接轉化成乙酸，反應方程式為CO2(g)＋CH4(g) CH3COOH(g)。

①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖1所示。250～300 ℃時，溫度升高而乙酸的生成速率降低的原因是_________________________。

②為了提高該反應中CH4的轉化率，可以采取的措施是______________________(寫出一條即可)。

(3)甲烷燃料電池是一種新型電池。如圖2所示，裝置Ⅰ為甲烷燃料電池(電解質溶液為KOH溶液)，通過裝置Ⅱ可實現鐵棒上鍍銅。

①電極b上的電極反應式是______________________。

②電鍍結束后，裝置Ⅰ中溶液的pH________(填“變大”、“變小”或“不變”，下同)，裝置Ⅱ中Cu2＋的物質的量濃度______________。

③若完全反應后，裝置Ⅱ中陰極質量增加12.8 g，則裝置Ⅰ中理論上消耗的氧氣在標準狀況下的體積為________L。

Answer 1

【答案】(1)＋247.7 kJ·mol－1

(2)①溫度超過250 ℃時，催化劑的催化效率降低 ②縮小容器體積(增大壓強)或增大CO2的濃度(答出一條即可)

(3)①O2＋2H2O＋4e－===4OH－ ②變小 不變 ③2.24

【解析】(1)根據蓋斯定律，將①＋②×2－③×2得目標方程式，其ΔH＝(－802.3－41.0×2＋566.0×2) kJ·mol－1＝＋247.7 kJ·mol－1。

(2)①溫度超過250 ℃時，催化劑的催化效率降低，導致反應速率降低。②CO2(g)＋CH4(g) CH3COOH(g)是氣體物質的量減少的反應，縮小容器體積(增大壓強)，平衡正向移動，CH4的轉化率增大。增大CO2的濃度也可使平衡正向移動，提高CH4的轉化率。

(3)①在鐵棒上鍍銅時，銅棒是陽極，鐵棒是陰極，與銅棒相連的電極是電源的正極，與鐵棒相連的電極是電源的負極，故a為負極，通入甲烷，b為正極，通入氧氣，氧氣在堿性條件下得電子生成OH－。②該甲烷燃料電池的總反應為CH4＋2O2＋2KOH===K2CO3＋3H2O，故電鍍結束后，裝置Ⅰ中溶液的pH減小；電鍍池中，陽極銅溶解，陰極析出銅，溶液中Cu2＋的物質的量濃度不變。③裝置Ⅱ中陰極增加的質量是Cu的質量，n(Cu)＝0.2 mol，則反應中轉移0.4 mol電子，根據電子得失守恒，可知理論上應消耗0.1 mol O2，在標準狀況下的體積為2.24 L。