Question

9．二甲醚（CH₃OCH₄）是一種重要的清潔燃料，工業(yè)上利用水煤氣合成二甲醚的三步反應(yīng)如下：
①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO2（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）利用水煤氣合成二甲醚的熱化學(xué)反應(yīng)方程式為3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.4kJ•mol^-1；
（2）以二甲醚為燃料，硫酸為電解質(zhì)溶液可制成二甲醚燃料電池．該電池負(fù)極的電極反應(yīng)為
CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺；
（3）已知某二甲醚燃料電池的總反應(yīng)為
CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）+4OH^-（ag）=2CO^2-₃（aq）+5H₂O（l）△H=-akJ•mol^-1
該電池工作一段時(shí)間后，生成1mol液態(tài)水時(shí)釋放bkJ電能，則電池的能量轉(zhuǎn)化率為$\frac{500b}{a}$%；
（4）用上述燃料電池電解NaHSO₃溶液（惰性電極）的裝置如圖所示．
①陰極的電極反應(yīng)為2HSO₃^-+2e^-=H₂↑+2SO₃^2-；
②陽(yáng)極區(qū)放出氣體的成分為O₂和SO₂（填化學(xué)式）．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律計(jì)算，利用已知方程式構(gòu)建目標(biāo)方程式求解；
（2）該燃料電池中，負(fù)極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺，正極上氧氣得電子發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-；
（3）先根據(jù)熱化學(xué)方程式式求出生成1mol液態(tài)水，理論上放出的能量，然后根據(jù)電池的能量轉(zhuǎn)化率=$\frac{實(shí)際產(chǎn)生能量}{理論產(chǎn)生能量}$×100%；
（4）①陰極為HSO₃^-得電子發(fā)生還原反應(yīng)，據(jù)此書(shū)寫；
②陽(yáng)極周圍是水電離出的氧根離子放電，生成氧氣，產(chǎn)生的氫離子與移過(guò)來(lái)和亞硫酸根離子反應(yīng)產(chǎn)生二氧化硫氣體．

解答 解：（1）①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
由蓋斯定律可知，通過(guò)①×2+②+③可得所求反應(yīng)方程式，則3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-90.8kJ•mol^-1×2-23.5kJ•mol^-1-41.3kJ•mol^-1=-246.4kJ•mol^-1；
故答案為：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.4kJ•mol^-1；
（2）該燃料電池中，負(fù)極上燃料失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺，故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂↑+12H⁺；
（3）生成1mol液態(tài)水，理論上放出的能量為$\frac{a}{5}$KJ，電池的能量轉(zhuǎn)化率=$\frac{實(shí)際產(chǎn)生能量}{理論產(chǎn)生能量}$×100%=$\frac{\frac{a}{5}}$×100%=$\frac{500b}{a}$%，故答案為：$\frac{500b}{a}$%；
（4）①正一價(jià)的氫發(fā)還原反應(yīng)生成氫氣，又陰極發(fā)生還原反應(yīng)，電極反應(yīng)為2HSO₃^-+2e^-=H₂↑+2SO₃^2-，故答案為：2HSO₃^-+2e^-=H₂↑+2SO₃^2-；
②陽(yáng)極周圍是水電離出的氫氧根離子放電，生成氧氣，產(chǎn)生的氫離子與移過(guò)來(lái)和亞硫酸根離子反應(yīng)產(chǎn)生二氧化硫氣體，故答案為：O₂和SO₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查蓋斯定律、電化學(xué)原理及氧化還原反應(yīng)，明確電極反應(yīng)是解答本題的關(guān)鍵，熟悉發(fā)生的電極反應(yīng)及氧化還原反應(yīng)即可解答，題目難度中等．