Question

【題目】2017年5月18日國土資源部中國地質調查局宣布，我國正在南海北部神孤海域進行的可燃冰試采獲得成功，這也標志著我國成為全球第一個實現了在海域可燃冰試開采中獲得連續穩定產氣的國家。可燃冰中甲烷含雖為80％～99.9%，甲烷的用途很廣，可用來作為燃料及制造氫氣、一氧化碳、甲醇等物質的原料。

回答下列問題：

（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氣體與液態水的熱化學方程式為_________。

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

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，下列各項能作為判斷該反應達到化學平衡狀態依據的是______（填標號）。

a.v(CH4)正=3v(H2)逆

b．混合氣體的密度不發生變化

c．容器內混合氣體的總壓強不發生變化

d．混合氣體的平均摩爾質且不發生變化

② 合成甲醇：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)。實驗室在恒溫（500℃）、恒容（1L）密閉容器中進行模擬合成實驗。將lmolCO和2molH2通入容器中，l0min、40min、50min時分別測得容器中甲醇的濃度為0.60mol/L、0.80mol/L、0.80mol/L。則此條件下該反應開始10min內，H2的平均反應速率為_______；平衡常數K的數值為________。

（3）甲烷可以用作如圖燃料電池的燃料。

① 負極的電極反應式為_______。

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 （已折算為標準狀況下的體積），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lmolCH4在O2充分燃燒生成CO2氣體與水蒸氣過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，又因為②H2O(l)=H2O(g) △H＝+44.0kJ/mol，則根據蓋斯定律可知①－②×2即得到1molCH4在O2充分燃燒生成CO2氣體與液態水的熱化學方程式為CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1) △H=-890.3kJ.mol-1 。（2）①a.如果是3v(CH4)正＝v(H2)逆可以說明反應達到平衡狀態，a錯誤；b．密度是混合氣的質量和容器容積的比值，在反應過程中質量和容積始終是不變的，因此混合氣體的密度不發生變化不能說明達到平衡狀態，b錯誤；c．正反應體積增大，容器內混合氣體的總壓強不發生變化說明反應達到平衡狀態，c正確；d．混合氣的平均相對分子質量是混合氣的質量和混合氣的總的物質的量的比值，質量不變，但物質的量是變化的，所以混合氣體的平均摩爾質不發生變化時說明反應達到平衡狀態，d正確，答案選cd；②l0min時測得容器中甲醇的濃度為0.60mol/L，則根據方程式可知消耗氫氣是1.20mol/L，所以H2的平均反應速率為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K的數值為0.8/(0.2×0.42)=25。

（3）①負極發生失去電子的氧化反應，即甲烷在負極通入，由于存在質子交換膜，電極反應式為CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+。②電解飽和食鹽水陽極生成氯氣，陰極生成氫氣，同時還有氫氧化鈉生成，氫氣、氯氣的體積相等，物質的量均是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。