Question

15．二甲醚（CH₃OCH₃）在未來可能替代柴油和液化石油氣作為潔凈燃料使用．工業(yè)上以CO和H₂為原料生產(chǎn)CH₃OCH₃．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=-23.5k1•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）催化反應(yīng)室中總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ•mol^-1．
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“=”）．
（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）．
（3）反應(yīng)②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g） 在某溫度下的平衡常數(shù)為400．此溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應(yīng)到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/（mol•L-1）	0.64	0.50	0.50

①比較此時正、逆反應(yīng)速率的大小：υ（正）＞υ（逆） （填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入CH₃OH后，經(jīng)10min反應(yīng)達(dá)到平衡，此時c（CH₃OH）=0.04mol•L^-1．
（4）“二甲醚燃料電池”是一種綠色電源，其中工作原理如圖所示．
①該電池a電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
②如果用該電池作為電解裝置，當(dāng)有23g二甲醚發(fā)生反應(yīng)時，則理論上提供的電量表達(dá)式為0.5mol×12×1.6×10^-19C×6.02×10²³
mol^-1C （1個電子的電量為1.6×10^-19C）．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律，已知熱化學(xué)方程式乘以適當(dāng)?shù)南禂?shù)進(jìn)行加減構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的系數(shù)，進(jìn)行相應(yīng)的加減．注意消除中間產(chǎn)物CH₃0H、H₂O．
催化反應(yīng)室中溫度小于830℃，升高溫度反應(yīng)③平衡向正反應(yīng)移動，平衡常數(shù)增大．
（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）；
（3）①K=生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比，結(jié)合平衡濃度計算，依據(jù)濃度商和平衡常數(shù)比較判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向；
②根據(jù)平衡常數(shù)計算平衡濃度，結(jié)合反應(yīng)速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算v（CH₃OH）；
（4）①由圖可知，a極通入甲醚，a極是負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，b極通入氧氣，b極為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，正極電解反應(yīng)式為3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，總的電極反應(yīng)式為CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O，總的電極反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式可得負(fù)極電極反應(yīng)式；
②先計算出二甲醚的物質(zhì)的量，計算出轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量，再計算轉(zhuǎn)移電量．

解答 解：（1）已知①CO（ g）+2H₂（g）?CH₃OH（ g）△H₁=-91kJ•mol^-1，
②2CH₃0H（g）?CH₃0CH₃（g）+H₂0（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1，
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1，
根據(jù)蓋斯定律，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ•mol^-1．催化反應(yīng)室中溫度小于830℃，升高溫度反應(yīng)③平衡向正反應(yīng)移動，平衡常數(shù)增大；
故答案為：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-247kJ•mol^-1；＞；
（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），故答案為：0.1mol/（L•min）；
（3）①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，將所給濃度帶入平衡常數(shù)表達(dá)式：$\frac{0.5×0.5}{0.6{4}^{2}}$=0.61＜400，故反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，
故答案為：＞；
②2CH₃OH（g）≒CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某時刻濃度（mol•L^-1）：0.64           0.5      0.5
轉(zhuǎn)化濃度（mol•L^-1）：2x               x         x  
平衡濃度（mol•L^-1）：0.64-2x         0.5+x      0.5+x
K=$\frac{（0.5+x）^{2}}{（0.64-2x）^{2}}$=400，解得x=0.3mol/L，
故平衡時c（CH₃OH）=0.64mol/L-0.3mol/L×2=0.04mol/L，
故答案為：0.04；
（4）①由圖可知，a極通入甲醚，a極是負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，b極通入氧氣，b極為正極，發(fā)生還原反應(yīng)，正極電解反應(yīng)式為3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，總的電極反應(yīng)式為CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O，總的電極反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式可得負(fù)極電極反應(yīng)式，故負(fù)極電極反應(yīng)式為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；
②23g二甲醚的物質(zhì)的量為$\frac{23g}{46g/mol}$=0.5mol，電解過程中轉(zhuǎn)移電子的物質(zhì)的量為0.5mol×12=6mol，轉(zhuǎn)移電子的電量為0.5mol×12×1.6×10^-19C×6.02×10²³ mol^-1，故答案為：0.5mol×12×1.6×10^-19C×6.02×10²³ mol^-1．

點評 題目綜合性較大，涉及蓋斯定律、熱化學(xué)方程式書寫、化學(xué)反應(yīng)速率、化學(xué)平衡計算、平衡常數(shù)、原電池等內(nèi)容，難度中等，注意平衡常數(shù)的有關(guān)計算，成為近幾年高考的熱點，注意（4）中利用兩極電極反應(yīng)式加合為總電極反應(yīng)式書寫電極反應(yīng)式．