Question

20．能源是制約國家發(fā)展進(jìn)程的因素之一．甲醇、二甲醚等被稱為2 1世紀(jì)的綠色能源，工業(yè)上利用天然氣為主要原料與二氧化碳、水蒸氣在一定條件下制備合成氣（CO、H₂），再制成甲醇、二甲醚．
（1）工業(yè)上，可以分離合成氣中的氫氣，用于合成氨，常用醋酸二氨合亞銅
[Cu（NH₃）₂]AC溶液（AC=CH₃COO^-）來吸收合成氣中的一氧化碳，其反應(yīng)原理為：
[Cu（NH₃）₂]AC（aq）+CO（g）+NH₃（g）?[Cu（NH₃）₃]AC•CO（aq）△H＜0
常壓下，將吸收一氧化碳的溶液處理重新獲得[Cu（NH₃）₂]AC溶液的措施是加熱；
（2）工業(yè)上一般采用下列兩種反應(yīng)合成甲醇：
反應(yīng)a：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.5kJ•mol^-1
反應(yīng)b：CO （g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-91.8kJ•mol^-1
①對于反應(yīng)a，某溫度下，將4.0mol CO₂（g）和12.0mol H₂（g）充入容積為2L的密閉容器中，反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，測得甲醇蒸氣的體積分?jǐn)?shù)為30%，則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為1.33；
②對于反應(yīng)b，某科研人員為研究H₂和CO合成CH₃OH的最佳起始組成比n（H₂）：n（CO），在l L恒容密閉容器中通入H₂與CO的混合氣（CO的投入量均為1mol），分別在230°C、250°C和270°C進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，測得結(jié)果如圖，則230℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對應(yīng)的曲線是X（填字母）；理由是當(dāng)投入H₂的物質(zhì)的量相等時(shí)，從X到Z，CO的轉(zhuǎn)化率在減小，說明反應(yīng)逆向移動(dòng)，而逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需升高溫度才能實(shí)現(xiàn)，故230°C為X．

（3）CO可以合成二甲醚，二甲醚可以作為燃料電池的原料，化學(xué)反應(yīng)原理為：
CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H＜0
①在恒容密閉容器里按體積比為1：4充入一氧化碳和氫氣，一定條件下反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)．當(dāng)改變反應(yīng)的某一個(gè)條件后，下列變化能說明平衡一定向正反應(yīng)方向移動(dòng)的是BD；
A．逆反應(yīng)速率先增大后減小 C．反應(yīng)物的體積百分含量減小
B．正反應(yīng)速率先增大后減小D．化學(xué)平衡常數(shù)K值增大
②寫出二甲醚堿性燃料電池的負(fù)極電極反應(yīng)式CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-═2CO₃^2-+11H₂O；
③己知參與電極反應(yīng)的電極材料單位質(zhì)量放出電能的大小稱為該電池的比能量．關(guān)于二甲醚堿性燃料電池與乙醇?jí)A性燃料電池，下列說法正確的是C（填字母）
A．兩種燃料互為同分異構(gòu)體，分子式和摩爾質(zhì)量相同，比能量相同
B．兩種燃料所含共價(jià)鍵數(shù)目相同，斷鍵時(shí)所需能量相同，比能量相同
C．兩種燃料所含共價(jià)鍵類型不同，斷鍵時(shí)所需能量不同，比能量不同
（4）已知l g二甲醚氣體完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物放出的熱量為31.63kJ，請寫出表示二甲醚燃燒熱的熱化學(xué)方程式CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1454.98kJ/mol．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)反應(yīng)[Cu（NH₃）₂]AC（aq）+CO（g）+NH₃（g）?[Cu（NH₃）₃]AC•CO（aq）△H＜0為放熱反應(yīng)及溫度對化學(xué)平衡的影響進(jìn)行解答；
（2）①設(shè)出達(dá)到平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量，然后根據(jù)達(dá)到平衡時(shí)甲醇的百分含量計(jì)算出達(dá)到平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量及濃度，最后帶人K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$計(jì)算出該溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)；
②合成甲醇是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率減小，則230℃時(shí)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對應(yīng)的曲線是X；
（3）①根據(jù)影響化學(xué)平衡的因素進(jìn)行判斷滿足“平衡一定向正反應(yīng)方向移動(dòng)”的選項(xiàng)；
②原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚在堿性條件下失去電子生成碳酸根離子和水，據(jù)此寫出電極反應(yīng)；
③根據(jù)乙醇和二甲醚中結(jié)構(gòu)簡式不同，發(fā)生反應(yīng)時(shí)斷裂的化學(xué)鍵不同，反應(yīng)放出的能量不會(huì)相同，據(jù)此進(jìn)行判斷；
（4）根據(jù)lg二甲醚氣體完全燃燒生成穩(wěn)定的氧化物放出的熱量為31.63kJ計(jì)算出1mol二甲醚完全燃燒放出的熱量，然后根據(jù)熱化學(xué)方程式的書寫方法寫出二甲醚燃燒熱的熱化學(xué)方程式．

解答 解：（1）[Cu（NH₃）₂]AC（aq）+CO（g）+NH₃（g）?[Cu（NH₃）₃]AC•CO（aq）△H＜0，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向著逆向移動(dòng)，可以將吸收一氧化碳的溶液處理重新獲得[Cu（NH₃）₂]AC，
故答案為：加熱；
（2）①按反應(yīng)a充分反應(yīng)達(dá)到平衡后，設(shè)n（CH₃OH）=xmol，則：
                CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）（g）
起始量（mol）     4       12         0       0
變化量（mol）     x        3x         x      x
平衡量（mol）    4-x      12-3x       x      x
達(dá)到平衡時(shí)甲醇的含量為：$\frac{x}{4-x+12-3x+x+x}$×100%=30%，
解得：x=3，達(dá)到平衡時(shí)各組分的濃度為：c（CO₂）=$\frac{4-3}{2}$mol/L=0.5mol/L，c（H₂）=$\frac{12-9}{2}$mol/L=1.5mol/L，c（CH₃OH）=c（H₂O）=$\frac{3mol}{2L}$=1.5mol/L，
則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)為：K=$\frac{[C{H}_{3}OH][{H}_{2}O]}{[C{O}_{2}][{H}_{2}]^{3}}$=$\frac{1.5×1.5}{0.5×1．{5}^{3}}$=$\frac{4}{3}$≈1.33，
故答案為：1.33；
 ②工業(yè)上用反應(yīng)④低壓合成甲醇，在230℃～270℃最為有利．為研究合成氣最合適的起始組成比，分別在230℃、250℃和270℃進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖．合成甲醇是放熱反應(yīng)，溫度越低轉(zhuǎn)化率越大，結(jié)合圖象可知，當(dāng)投入H₂的物質(zhì)的量相等時(shí)，從X到Z，CO的轉(zhuǎn)化率在減小，說明反應(yīng)逆向移動(dòng)，而逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需升高溫度才能實(shí)現(xiàn)，230℃的實(shí)驗(yàn)結(jié)果所對應(yīng)的曲線是X，
故答案為：X；當(dāng)投入H₂的物質(zhì)的量相等時(shí)，從X到Z，CO的轉(zhuǎn)化率在減小，說明反應(yīng)逆向移動(dòng)，而逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，需升高溫度才能實(shí)現(xiàn)，故230°C為X；
（3）①A．逆反應(yīng)速率先增大后減小，可以升高溫度，正逆反應(yīng)速率都增大，平衡向著逆向移動(dòng)，滿足了逆反應(yīng)速率先增大后逐漸減小，故A錯(cuò)誤；
B．正反應(yīng)速率先增大后減小，說明是增大了壓強(qiáng)或增加反應(yīng)物濃度，無論改變說明條件，平衡一定向著正向移動(dòng)，故B正確；
C．反應(yīng)物的體積百分含量減小，如減少反應(yīng)物濃度，平衡會(huì)向著逆向移動(dòng)，故C錯(cuò)誤；
D．化學(xué)平衡常數(shù)K值增大，說明生成物的濃度增大，反應(yīng)物的濃度減小，平衡一定向著正向移動(dòng)，故D正確；
故答案為：BD；
②二甲醚在堿性燃料電池的負(fù)極失去電子生成碳酸根離子和水，電極反應(yīng)為CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-═2CO₃^2-+11H₂O，
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-═2CO₃^2-+11H₂O；
③化學(xué)反應(yīng)實(shí)質(zhì)是舊鍵的斷裂和新鍵的生成，放出的能量與舊鍵斷裂吸收的能量和新鍵的生成放出的能量有關(guān)，而二甲醚和乙醇分子中化學(xué)鍵類型不同，所以反應(yīng)過程中放出的能量不同，所以C正確，
故答案為：C；
（4）1mol二甲醚的質(zhì)量為46g，46g二甲醚完全燃燒生成穩(wěn)定氧化物放出的熱量為：31.63kJ×46g=1454.98 kJ，所以二甲醚燃燒熱的熱化學(xué)方程式為：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1454.98 kJ/mol，
故答案為：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1454.98 kJ/mol．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡的調(diào)控作用、化學(xué)平衡的影響因素、原電池工作原理及電極反應(yīng)的書寫、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算、化學(xué)平衡狀態(tài)的判斷等知識(shí)，為高考常見題型，題目難度較大，考查的知識(shí)點(diǎn)較大，充分考查了學(xué)生對化學(xué)平衡、原電池工作原理等知識(shí)的掌握情況，試題培養(yǎng)了學(xué)生的分析、理解能力及化學(xué)計(jì)算能力．