Question

【題目】2017年5月18日國(guó)土資源部中國(guó)地質(zhì)調(diào)查局宣布，我國(guó)正在南海北部神孤海域進(jìn)行的可燃冰試采獲得成功，這也標(biāo)志著我國(guó)成為全球第一個(gè)實(shí)現(xiàn)了在海域可燃冰試開(kāi)采中獲得連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氣的國(guó)家�？扇急�中甲烷含雖為80％～99.9%，甲烷的用途很廣，可用來(lái)作為燃料及制造氫氣、一氧化碳、甲醇等物質(zhì)的原料。

回答下列問(wèn)題：

（l）甲烷可用作燃料。右圖是lmolCH4在O2充分燃燒生成CO2氣體與水蒸氣過(guò)程中能量變化示意圖，已知H2O(l)=H2O(g) △H＝+44.0kJ/mol，則1molCH4在O2充分燃燒生成CO2氣體與液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為_________。

（2）甲烷可以合成甲醇來(lái)代替日益供應(yīng)緊張的燃油。工業(yè)上用甲烷為原料制備甲醇分為兩個(gè)階段：

① 制備合成氣：CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)。在恒溫恒容的密閉容器中，下列各項(xiàng)能作為判斷該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)依據(jù)的是______（填標(biāo)號(hào)）。

a.v(CH4)正=3v(H2)逆

b．混合氣體的密度不發(fā)生變化

c．容器內(nèi)混合氣體的總壓強(qiáng)不發(fā)生變化

d．混合氣體的平均摩爾質(zhì)且不發(fā)生變化

② 合成甲醇：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。實(shí)驗(yàn)室在恒溫（500℃）、恒容（1L）密閉容器中進(jìn)行模擬合成實(shí)驗(yàn)。將lmolCO和2molH2通入容器中，l0min、40min、50min時(shí)分別測(cè)得容器中甲醇的濃度為0.60mol/L、0.80mol/L、0.80mol/L。則此條件下該反應(yīng)開(kāi)始10min內(nèi)，H2的平均反應(yīng)速率為_______；平衡常數(shù)K的數(shù)值為________。

（3）甲烷可以用作如圖燃料電池的燃料。

① 負(fù)極的電極反應(yīng)式為_______。

② 常溫下,用此電池電解0.5L飽和食鹽水（足量），若兩極（均為惰性電極）共生成氣體l.12L （已折算為標(biāo)準(zhǔn)狀況下的體積），則電解后溶液的pH為_______（忽略溶液的體積變化）。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1) △H=-890.3kJ.mol-1 cd 0.12 mol·L-1·min-1 25 CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+ 13

【解析】（l）根據(jù)lmolCH4在O2充分燃燒生成CO2氣體與水蒸氣過(guò)程中能量變化示意圖可知方程式為①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-802.3kJ.mol-1，又因?yàn)棰贖2O(l)=H2O(g) △H＝+44.0kJ/mol，則根據(jù)蓋斯定律可知①－②×2即得到1molCH4在O2充分燃燒生成CO2氣體與液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1) △H=-890.3kJ.mol-1 。（2）①a.如果是3v(CH4)正＝v(H2)逆可以說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，a錯(cuò)誤；b．密度是混合氣的質(zhì)量和容器容積的比值，在反應(yīng)過(guò)程中質(zhì)量和容積始終是不變的，因此混合氣體的密度不發(fā)生變化不能說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，b錯(cuò)誤；c．正反應(yīng)體積增大，容器內(nèi)混合氣體的總壓強(qiáng)不發(fā)生變化說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，c正確；d．混合氣的平均相對(duì)分子質(zhì)量是混合氣的質(zhì)量和混合氣的總的物質(zhì)的量的比值，質(zhì)量不變，但物質(zhì)的量是變化的，所以混合氣體的平均摩爾質(zhì)不發(fā)生變化時(shí)說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，d正確，答案選cd；②l0min時(shí)測(cè)得容器中甲醇的濃度為0.60mol/L，則根據(jù)方程式可知消耗氫氣是1.20mol/L，所以H2的平均反應(yīng)速率為1.20mol/L÷10min＝0.12 mol·L-1·min-1；

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始濃度（mol/L） 1 2 0

轉(zhuǎn)化濃度（mol/L） 0.8 1.6 0.8

平衡濃度（mol/L） 0.2 0.4 0.8

則平衡常數(shù)K的數(shù)值為0.8/(0.2×0.42)=25。

（3）①負(fù)極發(fā)生失去電子的氧化反應(yīng)，即甲烷在負(fù)極通入，由于存在質(zhì)子交換膜，電極反應(yīng)式為CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+。②電解飽和食鹽水陽(yáng)極生成氯氣，陰極生成氫氣，同時(shí)還有氫氧化鈉生成，氫氣、氯氣的體積相等，物質(zhì)的量均是0.56L÷22.4L/mol＝0.025mol，因此生成氫氧化鈉是0.05mol，氫氧根濃度是0.05mol÷0.5L＝0.1mol/L，則電解后溶液的pH為13。