Question

【題目】三甲胺N(CH3)3是重要的化工原料。最近我國(guó)科學(xué)家實(shí)現(xiàn)了使用銅催化劑將N，N—二甲基甲酰胺（N(CH3)2NCHO，簡(jiǎn)稱(chēng)DMF）轉(zhuǎn)化為三甲胺的合成路線(xiàn)。回答下列問(wèn)題：

（1）結(jié)合實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，研究單一DMF分子在銅催化劑表面的反應(yīng)歷程，如圖所示：

該歷程中最大能壘（活化能）=__eV，該步驟的化學(xué)方程式為__。

（2）該反應(yīng)變化的ΔH__0（填“<”、“>”或“=”），制備三甲胺的熱化學(xué)方程式為__。

（3）160℃時(shí)，將DMF(g)和H2(g)以物質(zhì)的量之比為1：2充入盛有催化劑的剛性容器中，容器內(nèi)起始?jí)簭?qiáng)為p0，達(dá)到平衡時(shí)DMF的轉(zhuǎn)化率為25%，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=__（Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)）；能夠增大DMF平衡轉(zhuǎn)化率同時(shí)加快反應(yīng)速率的操作是__。

（4）三甲胺是魚(yú)腥臭的主要來(lái)源，是判斷海水魚(yú)類(lèi)鮮度的化學(xué)指標(biāo)之一。通過(guò)傳感器產(chǎn)生的電流強(qiáng)度可以監(jiān)測(cè)水產(chǎn)品中三甲胺的含量，一種燃料電池型三甲胺氣體傳感器的原理如圖所示。外電路的電流方向?yàn)?/span>__（填“a→b”或“b→a”），負(fù)極的電極反應(yīng)式為__。

Answer 1

【答案】1.19 N(CH3)3+OH-+H+=N(CH3)3↑+H2O↑ < (CH3)2NCHO(g)+2H2(g)=N(CH3)3(g)+H2O(g) ΔH=-1.02NAev/mol 增大壓強(qiáng)、增大氫氣濃度 a→b 2N(CH3)3-42e-+12H2O=N2↑+6CO2↑+42H+

【解析】

(1)如圖所示，反應(yīng)歷程中反應(yīng)物和生成物相對(duì)能量差值最大的為最大能壘；

(2)如圖所示，根據(jù)蓋斯定律分析，反應(yīng)物總能量高于生成物總能量，結(jié)合圖示書(shū)寫(xiě)熱化學(xué)反應(yīng)方程式；

(3)利用“三段式”，結(jié)合相同條件下，壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，計(jì)算壓強(qiáng)表示的平衡常數(shù)；

(4)根據(jù)燃料電池的特點(diǎn)判斷正負(fù)極，結(jié)合圖示及電解質(zhì)溶液書(shū)寫(xiě)電極反應(yīng)式。

(1)如圖所示，反應(yīng)歷程中反應(yīng)物和生成物相對(duì)能量差值最大的為最大能壘，即N(CH3)3+OH-+H+=N(CH3)3↑+H2O↑反應(yīng)過(guò)程中活化能最大，活化能=2.21 eV -1.02 eV =1.19 eV；

(2)如圖所示，根據(jù)蓋斯定律，反應(yīng)熱只與反應(yīng)始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，與反應(yīng)過(guò)程無(wú)關(guān)，反應(yīng)物總能量高于生成物總能量，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，ΔH＜0，單一DMF分子反應(yīng)釋放的能量為1.02eV，1mol該分子放出的能量為1.02NAeV，熱化學(xué)反應(yīng)方程式：(CH3)2NCHO(g)+2H2(g)=N(CH3)3(g)+H2O(g) ΔH=-1.02NAeV/mol；

(3)160℃時(shí)，將DMF(g)和H2(g)以物質(zhì)的量之比為1：2充入盛有催化劑的剛性容器中，容器內(nèi)起始?jí)簭?qiáng)為p0，達(dá)到平衡時(shí)DMF的轉(zhuǎn)化率為25%，設(shè)DMF(g)和H2(g)的初始投入物質(zhì)的量為1mol和2mol，列“三段式”：

根據(jù)，則p平==p0；則該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp==；能夠增大DMF平衡轉(zhuǎn)化率同時(shí)加快反應(yīng)速率的操作：增大壓強(qiáng)、增大氫氣濃度；

(4)該電池為燃料電池，a電極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，b電極上三甲胺失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，則a為正極，b為負(fù)極，原電池中電子從負(fù)極流向正極即從b流向a，電流的方向與電子的移動(dòng)方向相反，則外電路電流的方向?yàn)?/span>a→b；電解質(zhì)溶液為酸性，結(jié)合圖示，負(fù)極的電極反應(yīng)式為：2N(CH3)3-42e-+12H2O=N2↑+6CO2↑+42H+。