Question

9．二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀(jì)的新型燃料，在未來可能替代汽油、液化氣、煤氣等并具有優(yōu)良的環(huán)保性能．工業(yè)制備二甲醚在催化反應(yīng)室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）進(jìn)行下列反應(yīng)：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）若要增大反應(yīng)①中H₂的轉(zhuǎn)化率，在其它條件不變的情況下可以采取的措施為BC．
A．加入某物質(zhì)作催化劑  B．加入一定量CO
C．反應(yīng)溫度降低D．增大容器體積
（2）在某溫度下，若反應(yīng)①的起始濃度分別為：c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2.4mol/L，5min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則5min內(nèi)CO的平均反應(yīng)速率為0.1mol/（L•min）；若反應(yīng)物的起始濃度分別為：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L；達(dá)到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，a=5.4mol/L．
（3）催化反應(yīng)室中總反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.1kJ/mol；830℃時反應(yīng)③的K=1.0，則在催化反應(yīng)室中反應(yīng)③的K＞1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（4）二甲醚燃燒熱為1455kJ•mol^-1，則二甲醚燃燒的熱化學(xué)方程式為CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol．
（5）“二甲醚燃料電池”是一種綠色電源，其工作原理如圖所示．寫出a電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）已知反應(yīng)①是體積減小的放熱反應(yīng)，根據(jù)外界條件對平衡的影響分析；
（2）5min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，根據(jù)v（CO）=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO）；
計算該溫度下的平衡常數(shù)，根據(jù)平衡常數(shù)計算平衡時氫氣的濃度，根據(jù)甲醇的平衡濃度計算氫氣濃度的變化量，進(jìn)而計算a的值；
（3）根據(jù)蓋斯定律由已知的熱化學(xué)方程式乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減，來構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減；
（4）依據(jù)燃燒熱概念含義是1mol甲醚完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物二氧化碳和液態(tài)水放出的熱量為燃燒熱，結(jié)合書寫方法寫出熱化學(xué)方程式；
（5）依據(jù)圖示分析通入氧氣的一端為正極，通入二甲醚的一端為負(fù)極，電解質(zhì)溶液為酸性環(huán)境，二甲醚失電子生成二氧化碳，根據(jù)電子守恒寫出電極反應(yīng)．

解答 解：（1）已知反應(yīng)①是體積減小的放熱反應(yīng)，若要增大反應(yīng)①中H₂的轉(zhuǎn)化率，則需要使平衡正移，所以改變的條件為加入一定量CO或反應(yīng)溫度降低；
故答案為：BC；
（2）5min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，所以v（CO）=$\frac{0.5mol/L}{5min}$=0.1mol/（L•min）；
該溫度到達(dá)平衡時，c（CO）=0.5mol/L，c（H₂）=2.4mol/L-2×0.5mol/L=1.4mol/L，c（CH₃OH）=0.5mol/L，所以該溫度下，平衡常數(shù)k=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{25}{49}$，若反應(yīng)物的起始濃度分別為：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L，達(dá)到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，則平衡時c′（CO）=4mol/L-2mol/L=2mol/L，令平衡時氫氣的濃度為ymol/L，所以$\frac{2}{2×{y}^{2}}$=$\frac{25}{49}$解得y=1.4，故a=2mol/L×2+1.4mol/L=5.4mol/L．
故答案為：0.1mol/（L•min）；5.4．
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol，
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol，
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol，
由蓋斯定律可知，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ/mol，
催化反應(yīng)室中溫度低于830°C，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，降低溫度平衡正向進(jìn)行，平衡常數(shù)增大，K＞1.0，
故答案為：-246.1kJ/mol，＞；
（4）甲醚的燃燒熱為1455kJ/mol，則燃燒方式的熱化學(xué)方程式為：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol；
故答案為：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol；
（5）反應(yīng)本質(zhì)是二甲醚的燃燒，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極放電，正極反應(yīng)還原反應(yīng)，氧氣在正極放電．由圖可知，a極為負(fù)極，b為正極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子，a電極的電極反應(yīng)式為 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺；
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

點評 本題考查熱化學(xué)方程式書寫，燃燒熱概念，平衡移動，圖象分析應(yīng)用，原電池電極反應(yīng)的書寫方法，題目難度中等．