Question

（14分）甲烷可制成合成氣（CO、H₂），再制成甲醇，代替日益供應緊張的燃油。

已知：① CH₄ (g) ＋ H₂O (g) ＝ CO (g)＋3H₂ (g)       △H₁＝+206.2kJ·mol^－1

② CH₄（g）＋O₂（g）＝CO（g）＋2H₂（g） △H₂=－35.4 kJ·mol^-1

③ CH­­₄ (g) ＋ 2H₂O (g) ＝CO­₂ (g) ＋4H₂ (g)      △H₃＝+165.0 kJ·mol^－1

（1）CH₄(g)與CO₂ (g)反應生成CO(g)和H₂(g)的熱化學方程式為            。

   （2）從原料選擇和能源利用角度，比較方法①和②，為合成甲醇，用甲烷制合成氣的適宜方法為            （填序號），其原因是            。

（3）合成氣中的H₂可用于生產NH₃，在進入合成塔前常用Cu(NH₃)₂Ac溶液來吸收其中的CO，防止合成塔中的催化劑中毒，其反應是：

Cu(NH₃)₂Ac + CO + NH₃  [Cu(NH₃)₃]Ac·CO  △H＜0

Cu(NH₃)₂Ac溶液吸收CO的適宜生產條件應是           。

（4）將CH₄設計成燃料電池，其利用率更高，裝置示意如右圖（A、B為多孔性碳棒）。持續通入甲烷，在標準狀況下，消耗甲烷體積VL。

         ① O<V≤44.8 L時，電池總反應方程式為             ；

         ② 44.8 L<V≤89.6 L時，負極電極反應為             ；

 ③ V=67.2 L時，溶液中離子濃度大小關系為             。

 

Answer 1

【答案】

（1）CH₄ (g)＋CO₂ (g) ＝2CO (g)＋2H₂ (g)   △H＝+247.4 kJ·mol^－1（2分）

（2）②（2分）   選擇CH₄不完全燃燒制合成氣時，放出熱量，同時得到的CO、H₂物質的量之比為1：2，能恰好完全反應合成甲醇。（2分）

（3）低溫、高壓（2分）

（4）   ①CH4 + 2O2 + 2KOH ＝K2CO3 + 3H2O       （2分）

②CH₄—8e^—+ 9CO₃^2—+3H₂O ＝10 HCO₃^—       （2分）

③c(K^＋)＞c(HCO₃^－)＞c(CO₃^2－)＞c(OH^—)＞c(H⁺) （2分）

【解析】（1）①×2－③即得到CH₄ (g)＋CO₂ (g) ＝2CO (g)＋2H₂ (g)，所以△H＝+247.4 kJ·mol^－1。

（2）因為合成氣是混合氣體，而CO和H₂生成甲醇的體積比1︰2，在反應②中二者的體積恰好是1︰2。

（3）因為反應是體積減小的放熱的可逆反應，所以適宜的條件是低溫、高壓。

（4）電解池中的氫氧化鈉是4mol，所以若甲烷恰好是44.8L，即2mol時，生成物恰好是2mol碳酸鈉。若甲烷恰好是89.6L，即4mol時，生成物恰好是4mol碳酸氫鈉。當V=67.2 L，即3mol時，生成物既有碳酸鈉，又有碳酸氫鈉，且物質的量分布是1mol和2mol。