Question

20．据报道，在西藏冻土的一定深度下，发现了储量巨大的“可燃冰”，它主要是甲烷和水形成的水合物（CH₄•nH₂O）．
（1）在常温常压下，“可燃冰”会发生分解反应，其化学方程式是CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O．
（2）甲烷可制成合成气（CO、H₂），再制成甲醇，代替日益供应紧张的燃油．
①在101KPa时，1.6g CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO、H₂，吸热20.64kJ．则甲烷与H₂O（g）反应的热化学方程式：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1．
②CH₄不完全燃烧也可制得合成气：CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）；
△H=-35.4kJ•mol^-1．则从原料选择和能源利用角度，比较方法①和②，合成甲醇的适宜方法为②（填序号）；原因是选择CH₄不完全燃烧，制合成气体时，放出热量，同时得到CO：H₂为1：2，能恰好完全反应合成甲醇．
（3）利用合成气（主要成分为CO、CO₂和H₂）在催化剂作用下合成甲醇，发生的主要反应如下：
①CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H₁
②CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₂
③CO₂（g）+H₂（g）=CO（g）+H₂O（g）△H₃
回答下列问题：
已知反应①中相关的化学键键能数据如下：

化学键	H-H	C-O	C≡O	H-O	C-H
E/（kJ•mol-1）	436	343	1 076	465	413

由此计算△H₁=-99kJ•mol^-1，已知△H₂=-58kJ•mol^-1，则△H₃=+41kJ•mol^-1．
（4）可燃冰中CH₄的其它用途是，将CH₄设计成燃料电池，其利用率更高，装置示意图（A、B为多孔性碳棒）．持续通人甲烷，在标准状况下，消耗甲烷体积VL．
①O＜V≤44.8L时，电池总反应方程式为CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
②44.8L＜V≤89.6L时，负极电极反应为CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-．

Answer 1

分析 （1）在常温常压下，“可燃冰”会发生分解反应生成甲烷与水；
（2）①在101kPa时，1.6g CH₄ （g）与H₂O（g）反应生成CO、H₂，吸热20.64kJ，则1mol甲烷反应吸收热量为206.4kJ，注明物质的聚集状态与反应热书写热化学方程式；
②CH₄不完全燃烧制合成气时，放出热量，同时得到的CO、H₂的化学计量数之比为1：2，能恰好完全反应合成甲醇；
（3）反应热=反应物总键能-生成物总键能；根据盖斯定律：反应②-反应①=反应③，反应热也进行相应的计算；
（4）①n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，该装置是燃料电池，负极上甲烷失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，根据原子守恒得0＜n（CO₂）≤2mol，二氧化碳不足量，则反应生成碳酸钾；
②根据原子守恒得2mol＜n（CO₂）≤4mol，反应生成碳酸氢钾．

解答 解：（1）在常温常压下，“可燃冰”会发生分解反应生成甲烷与水，反应方程式为：CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O，
故答案为：CH₄•nH₂O=CH₄↑+nH₂O；
（2）①在101kPa时，1.6g CH₄ （g）与H₂O（g）反应生成CO、H₂，吸热20.64kJ，则1mol甲烷反应吸收热量为206.4kJ，热化学方程式为CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+206.4 kJ•mol^-1；
②CH₄不完全燃烧制合成气时，放出热量，同时得到的CO、H₂的化学计量数之比为1：2，能恰好完全反应合成甲醇，而方法一吸收热量，得到CO、H₂的化学计量数之比为1：3，不能恰好转化为甲醇，故方法二更好，
故答案为：②；选择CH₄不完全燃烧，制合成气体时，放出热量，同时得到CO：H₂为1：2，能恰好完全反应合成甲醇；
（3）反应热=反应物总键能-生成物总键能，故△H₁=1076kJ．mol^-1+2×436kJ．mol^-1-（3×413+343+465）kJ．mol^-1=-99kJ．mol^-1；
根据盖斯定律：反应②-反应①=反应③，故△H₃=△H₂-△H₁=-58kJ．mol^-1-（-99kJ．mol^-1）=+41kJ．mol^-1，
故答案为：-99；+41；
（4）①n（KOH）=2mol/L×2L=2mol，该装置是燃料电池，负极上甲烷失电子发生氧化反应，正极上氧气得电子发生还原反应，根据原子守恒得0＜n（CO₂）≤$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol，二氧化碳不足量，则反应生成碳酸钾，电池总反应方程式为：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案为：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②44.8L＜V≤89.6L时，根据原子守恒得$\frac{44.8L}{22.4L/mol}$=2mol＜n（CO₂）≤$\frac{89.6L}{22.4L/mol}$=4mol，反应生成碳酸氢钾，负极反应式为CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，
故答案为：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-．

点评 本题考查反应热有关计算、实验方案的评价和电极反应的书写等，侧重考查学生分析计算能力，需要学生具备扎实的基础，难度中等．