Question

【題目】甲醇（CH3OH）和二甲醚（CH3OCH3）被稱(chēng)為21世紀(jì)的新型燃料，具有清潔、高效等性能。

（1）CO2可用于合成二甲醚（CH3OCH3），有關(guān)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：

CO2(g) + 3H2(g)＝CH3OH(g) + H2O(g) △H=－49.0 kJ·mol-1

2CH3OH(g)＝CH3OCH3(g) + H2O(g) △H=－23.5 kJ·mol-1

H2O(l)＝H2O(g) △H= + 44 kJ·mol-1

則CO2與H2反應(yīng)合成二甲醚生成液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為：____________________。

（2）工業(yè)上合成甲醇的反應(yīng)：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H=－90.8 kJ·mol-1。 下列不能說(shuō)明該反應(yīng)在恒溫恒容條件下已達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)的是___________

A．v正(H2) = 2v逆(CH3OH) B．n(CO):n(H2):n(CH3OH)=1:2:1

C．混合氣體的密度不變 D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變 E．容器的壓強(qiáng)不變

（3）若反應(yīng)2CH3OH(g) CH3OCH3(g) + H2O(g)在某溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)為400，此溫度下，在密閉容器中加入一定量甲醇，反應(yīng)進(jìn)行到某時(shí)刻，測(cè)得各物質(zhì)的濃度如下表所示：

物質(zhì)	CH3OH(g)	CH3OCH3(g)	H2O(g)
濃度（mol·L-1）	0.44	0.60	0.60

①比較該時(shí)刻正、逆反應(yīng)速率的大小：v(正)_____v(逆)（填“>”、“<”或“=”）。

②若加入甲醇后，經(jīng)10 min反應(yīng)達(dá)到平衡，則平衡后c(CH3OH)=______________，

該時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率v(CH3OCH3)=_____________。

（4）利用二甲醚（CH3OCH3）設(shè)計(jì)一個(gè)燃料電池，用KOH溶液作電解質(zhì)溶液，石墨做電極，該電池負(fù)極電極反應(yīng)式為___________________________。以此燃料電池作為外接電源按如圖所示電解硫酸銅溶液，如果起始時(shí)盛有1000mLpH=5的硫酸銅溶液（25℃，CuSO4足量），一段時(shí)間后溶液的pH變?yōu)?/span>1，若要使溶液恢復(fù)到起始濃度（溫度不變，忽略溶液體積的變化），可向溶液中加入______其質(zhì)量約為_____g。

Answer 1

【答案】2CO2（g）+6H2（g）═CH3OCH3（g）+3H2O（l）△H=-253.5kJmol-1 BC ＞ 0.04molL-1 0.08molL-1min-1 CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O CuO 4g

【解析】

（1）根據(jù)蓋斯定律分析作答；

（2）變量不變時(shí)，可以說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)；

（3）①根據(jù)各組分的濃度商與平衡常數(shù)的大小進(jìn)行判斷反應(yīng)方向及正逆反應(yīng)速率大�。�

②設(shè)達(dá)到平衡時(shí)又消耗了xmol甲醇，利用三段式及平衡常數(shù)列出方程式進(jìn)行計(jì)算平衡時(shí)甲醇濃度及二甲醚的反應(yīng)速率；

（4）燃料電池中，負(fù)極上是燃料甲醚發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，正極反應(yīng)為氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，在堿性環(huán)境中生成氫氧根離子；電解池中，根據(jù)電解原理反應(yīng)，結(jié)合電子轉(zhuǎn)移數(shù)相等找出關(guān)系式分析計(jì)算。

（1）已知①CO2(g) + 3H2(g)＝CH3OH(g) + H2O(g) △H=－49.0 kJ·mol-1

②2CH3OH(g)＝CH3OCH3(g) + H2O(g) △H=－23.5 kJ·mol-1

③H2O(l)＝H2O(g) △H= + 44 kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律①×2＋②-③×3得出CO2與H2反應(yīng)合成二甲醚生成液態(tài)水的熱化學(xué)方程式為2CO2（g）+6H2（g）═CH3OCH3（g）+3H2O（l）△H=-253.5kJmol-1，故答案為：2CO2（g）+6H2（g）═CH3OCH3（g）+3H2O（l）△H=-253.5kJmol-1；

（2）A．v正（H2）=2v逆（CH3OH），表示的是正逆反應(yīng)速率，且滿足二者計(jì)算量關(guān)系，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；

B．n（CO）：n（H2）：n（CH3OH）=1：2：1，物質(zhì)的量之比，無(wú)法判斷正逆反應(yīng)速率是否相等，無(wú)法判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故B正確；

C．混合氣體的密度不變，反應(yīng)前后都是氣體，容器的容積不變，所以氣體的密度始終不變，密度不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故C正確；

D．該反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中氣體的物質(zhì)的量發(fā)生變化，混合氣體的平均分子量發(fā)生變化，若混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變，說(shuō)明達(dá)到了平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；

E．該反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)，氣體的物質(zhì)的量在反應(yīng)中發(fā)生變化，若容器的壓強(qiáng)不變，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，達(dá)到了平衡狀態(tài)，故E錯(cuò)誤；

故答案為：BC；

（3）①此時(shí)的濃度商為：Qc= =1.86＜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：＞；

②設(shè)達(dá)到平衡時(shí)據(jù)此又消耗了xmol，則

則K= =400，解得x=0.2mol/L，故平衡時(shí)c（CH3OH）=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L，則10min生成二甲醚的濃度為：0.6mol/L+0.2moL/L=0.8mol/L，

所以甲醇的反應(yīng)速率為v（CH3OH）= =0.08mol/（Lmin），

故答案為：0.04molL-1；0.08molL-1min-1；

（4）燃料電池中，負(fù)極上是燃料甲醚發(fā)生失電子的氧化反應(yīng)，在堿性環(huán)境下，即為：CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O，正極反應(yīng)為氧氣得到電子發(fā)生還原反應(yīng)，在堿性環(huán)境中生成氫氧根離子，正極反應(yīng)為3O2+12e-+6H2O=12OH-。

下半部分為電解池，由電子流向可知，Fe為陰極，銅離子得到電子生成Cu，陰極反應(yīng)式：Cu2+ +2e-==Cu 陽(yáng)極反應(yīng)式：4OH- -4e-==2H2O+O2↑，從體系中脫離的是Cu和O，且原子比例為1:1，所以向溶液中加入CuO，pH=1時(shí)H+濃度為0.1mol/L，溶液體積為1L，故H+的物質(zhì)的量為0.1mol，因?yàn)榉磻?yīng)前H+較少，可以認(rèn)為0.1molH+全部來(lái)自于電解2H2O-4e-=O2+4H+，故產(chǎn)生0.1molH+就會(huì)產(chǎn)生0.25molO2，含有0.05molO原子，根據(jù)原子守恒，需要補(bǔ)充0.05mol CuO，CuO的質(zhì)量為0.05mol×80g/mol= 4g。

故答案為：CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O；CuO；4g。