Question

2017年5月18日国土资源部中国地质调查局宣布，我国正在南海北部神孤海域进行的可燃冰试采获得成功，这也标志着我国成为全球第一个实现了在海域可燃冰试开采中获得连续稳定产气的国家。可燃冰中甲烷含虽为80％～99.9%，甲烷的用途很广，可用来作为燃料及制造氢气、一氧化碳、甲醇等物质的原料。

回答下列问题：

（l）甲烷可用作燃料。右图是lmolCH₄在O₂充分燃烧生成CO₂气体与水蒸气过程中能量变化示意图，已知H₂O(l)=H₂O(g) △H＝+44.0kJ/mol，则1molCH₄在O₂充分燃烧生成CO₂气体与液态水的热化学方程式为_________。

（2）甲烷可以合成甲醇来代替日益供应紧张的燃油。工业上用甲烷为原料制备甲醇分为两个阶段：

① 制备合成气：CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)。在恒温恒容的密闭容器中，下列各项能作为判断该反应达到化学平衡状态依据的是______（填标号）。

a.v(CH₄)_正=3v(H₂)_逆

b．混合气体的密度不发生变化

c．容器内混合气体的总压强不发生变化

d．混合气体的平均摩尔质且不发生变化

② 合成甲醇：CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)。实验室在恒温（500℃）、恒容（1L）密闭容器中进行模拟合成实验。将lmolCO和2molH₂通入容器中，l0min、40min、50min时分别测得容器中甲醇的浓度为0.60mol/L、0.80mol/L、0.80mol/L。则此条件下该反应开始10min内，H₂的平均反应速率为_______；平衡常数K的数值为________。

（3）甲烷可以用作如图燃料电池的燃料。

① 负极的电极反应式为_______。

② 常温下,用此电池电解0.5L饱和食盐水（足量），若两极（均为惰性电极）共生成气体l.12L （已折算为标准状况下的体积），则电解后溶液的pH为_______（忽略溶液的体积变化）。

Answer

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）根据lmolCH4在O2充分燃烧生成CO2气体与水蒸气过程中能量变化示意图可知方程式为①CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) △H=-802.3kJ.mol-1，又因为②H2O(l)=H2O(g) △H＝+44.0kJ/mol，则根据盖斯定律可知①－②×2即得到1molCH4在O2充分燃烧生成CO2气体与液态水的热化学方程式为CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1) △H=-890.3kJ.mol-1 。（2）①a.如果是3v(CH4)正＝v(H2)逆可以说明反应达到平衡状态，a错误；b．密度是混合气的质量和容器容积的比值，在反应过程中质量和容积始终是不变的，因此混合气体的密度不发生变化不能说明达到平衡状态，b错误；c．正反应体积增大，容器内混合气体的总压强不发生变化说明反应达到平衡状态，c正确；d．混合气的平均相对分子质量是混合气的质量和混合气的总的物质的量的比值，质量不变，但物质的量是变化的，所以混合气体的平均摩尔质不发生变化时说明反应达到平衡状态，d正确，答案选cd；②l0min时测得容器中甲醇的浓度为0.60mol/L，则根据方程式可知消耗氢气是1.20mol/L，所以H2的平均反应速率为1.20mol/L÷10min＝0.12 mol·L-1·min-1；

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

起始浓度（mol/L） 1 2 0

转化浓度（mol/L） 0.8 1.6 0.8

平衡浓度（mol/L） 0.2 0.4 0.8

则平衡常数K的数值为0.8/(0.2×0.42)=25。

（3）①负极发生失去电子的氧化反应，即甲烷在负极通入，由于存在质子交换膜，电极反应式为CH4-8e-+2H2O=CO2+8H+。②电解饱和食盐水阳极生成氯气，阴极生成氢气，同时还有氢氧化钠生成，氢气、氯气的体积相等，物质的量均是0.56L÷22.4L/mol＝0.025mol，因此生成氢氧化钠是0.05mol，氢氧根浓度是0.05mol÷0.5L＝0.1mol/L，则电解后溶液的pH为13。

点睛：该题的难点是化学平衡状态判断，注意可逆反应达到平衡状态有两个核心的判断依据：①正反应速率和逆反应速率相等。②反应混合物中各组成成分的百分含量保持不变。只要抓住这两个特征就可确定反应是否达到平衡状态，对于随反应的发生而发生变化的物理量如果不变了，即说明可逆反应达到了平衡状态。判断化学反应是否达到平衡状态，关键是看给定的条件能否推出参与反应的任一物质的物质的量不再发生变化。