Question

（14分）甲醇是重要的化工原料，在工業生產上的應用十分廣泛。
（1）利用太陽能或生物質能分解水制H₂，然后可將H₂與CO₂轉化為甲醇。已知：
光催化制氫：2H₂O(l)===2H₂(g)＋O₂(g)  ΔH＝＋571.5 kJ/mol   ①
H₂與CO₂耦合反應：3H₂(g)＋CO₂(g)===CH₃OH(l)＋H₂O(l)  ΔH＝－137.8 kJ/mol   ②
則反應：2H₂O(l)＋CO₂(g) = CH₃OH(l)＋3/2O₂(g)的ΔH＝     kJ/mol。
你認為該方法需要解決的技術問題有     （填字母）。
a. 開發高效光催化劑
b. 將光催化制取的H₂從反應體系中有效分離，并與CO₂耦合催化轉化
c. 二氧化碳及水資源的來源供應
（2）工業上由甲醇制取甲醛的兩種方法如下（有關數據均為在298 K時測定）：
反應I：CH₃OH(g)＝HCHO(g)＋H₂(g)  ΔH₁＝＋92.09kJ/mol，K₁＝3.92×10^－11。
反應II：CH₃OH(g)＋1/2O₂(g)＝HCHO(g)＋H₂O(g)  ΔH₂＝－149.73 kJ/mol，K₂＝4.35×10²⁹。
①從原子利用率看，反應     （填“I”或“II”。下同）制甲醛的原子利用率更高。從反應的焓變和平衡常數K值看，反應   制甲醛更有利。
②下圖是甲醇制甲醛有關反應的lgK（平衡常數的對數值）隨溫度T的變化。圖中曲線（1）表示的是反應     。

（3）污水中的含氮化合物，通常先用生物膜脫氮工藝進行處理，在硝化細菌的作用下將NH₄^＋氧化為NO₃^－（2NH₄⁺+3O₂＝2HNO₂+2H₂O +2H⁺；2HNO₂ +O₂＝2HNO₃）。然后加入甲醇，甲醇和NO₃^－反應轉化為兩種無毒氣體。
①上述方法中，1 g銨態氮元素轉化為硝態氮元素時需氧的質量為     g。
②寫出加入甲醇后反應的離子方程式：     。
（4）甲醇燃料電池的工作原理如圖所示，則該電池負極的電極反應式為   。

Answer 1

共14分。每空2分。
（1）-719.5（2分）     ab（2分）
（2）①I（1分）    II（1分）     ②II（2分）
（3）①4.57（2分）
②6NO₃^－＋5CH₃OH＋6H^＋＝3N₂↑＋5CO₂↑＋13H₂O（2分）
（4）CH₃OH+H₂O–6e^－=CO₂↑+6H⁺（2分）

試題分析：（1）由蓋斯定律得2H₂O(l)＋CO₂(g) = CH₃OH(l)＋3/2O₂(g)的ΔH＝（①×3+②×2）/2，將①②的代入上式中得所求ΔH=-719.45kJ/mol；利用太陽能或生物質能分解水制H₂，需要開發高效光催化劑，使水易在太陽光的作用下分解，同時將光催化制取的H₂從反應體系中有效分離，并與CO₂耦合催化轉化，但二氧化碳及水資源的來源供應不是需要解決的技術問題，答案選ab；
（2）反應物中的原子盡可能的轉化為生成物，原子的利用率越高，所以反應I的原子利用率高；反應II的化學平衡常數較大，說明反應進行的徹底程度較大，而且反應II是放熱反應，所以從反應的焓變和平衡常數K值看，反應II制甲醛有利；
（3）①根據所給方程式可知2NH₄⁺～4O₂～2HNO₃，1 g銨態氮元素轉化為硝態氮元素時需氧的質量為2×32/14=4.57g，
②甲醇和NO₃^－反應轉化為兩種無毒氣體，從元素守恒角度判斷無毒氣體是氮氣和二氧化碳，另一種產物是水，離子方程式為6NO₃^－＋5CH₃OH＋6H^＋＝3N₂↑＋5CO₂↑＋13H₂O
（4）燃料電池中燃料在電池的負極發生氧化反應，結合圖中信息，甲醇被氧化為二氧化碳和氫離子，所以該電池的負極反應式為CH₃OH+H₂O–6e^－=CO₂↑+6H⁺