Question

4．甲醇是基本有機原料之一，可用于燃料電池、制取MTBE   等有機產品．
（1）一種“直接甲醇燃料電池”結構如圖1所示，電解質為強酸溶液，該燃料電池負極的電極反應式為CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．
（2）水煤氣法制取甲醇的反應其反應的焓變、平衡常數如下：
CH₄（g）+1/2O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1平衡常數K₁
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1平衡常數K₂
2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃     平衡常數K₃
△H₃=-251kJ•mol^-1 （填數值）；相同溫度下K₃=K₁²•K₂²（用含K₁、K₂代數式表示）．
（3）二氧化碳加氫也可合成甲醇[CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）]，在10.0L的密閉容器中投入1molCO₂和2.75molH₂，在不同條件下發生反應，實驗測得平衡時甲醇的物質的量隨溫度、壓強變化如圖2所示．
①圖2中二氧化碳合成甲醇正反應為放熱反應（選填：“放熱”或“吸熱”）．
②圖2中壓強P₁＞P₂（選填：“＞”或“＜”）．
③在圖2中“M”點，平衡常數K=1.04（填數值，保留2位小數）．
（4）甲醇與醇ROH在濃硫酸及加熱條件下可制備汽油抗爆震劑 MTBE．已知MTBE的分子式為C₅H₁₂O，其核磁共振氫譜如圖3所示．

①ROH的名稱為2-甲基-2-丙醇．
②寫出制備MTBE的化學方程式：CH₃OH+（CH₃）₃COH$→_{△}^{濃硫酸}$CH₃OC（CH₃）₃+H₂O．

Answer 1

分析 （1）負極發生反應，甲醇在負極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，根據電荷守恒有氫離子生成；
（2）已知：①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1，
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，
③2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃，
蓋斯定律，可知①×2+②×2=③，故反應熱也進行相應計算，方程式相加時總平衡常數等于分方程的平衡常數之積；
（3）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高，CH₃OH的物質的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動；
②正反應為氣體體積減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質的量增大；
③M點甲醇物質的量為0.25mol，計算平衡時各組分物質的量濃度，代入平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算；
（4）甲醇與醇ROH在濃硫酸及加熱條件下制備汽油抗爆震劑 MTBE，MTBE的分子式為C₅H₁₂O，醇ROH為丁醇，MTBE核磁共振氫譜有2個吸收峰，則醇ROH有2種H原子，醇ROH結構簡式為（CH₃）₃COH．

解答 解：（1）負極發生反應，甲醇在負極失去電子，酸性條件下生成二氧化碳，根據電荷守恒有氫離子生成，負極電極反應式為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
故答案為：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
（2）已知：①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1，
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，
③2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃，
蓋斯定律，可知①×2+②×2=③，故△H₃=2△H₁+2△H₂=2×（-35.4kJ•mol^-1-90.1kJ•mol^-1）=-251kJ•mol^-1，則總方程的平衡常數等于分方程的平衡常數之積，則平衡常數K₃=K₁²•K₂²，
故答案為：0251；K₁²•K₂²；
（3）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高，CH₃OH的物質的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應，故答案為：放熱；
②正反應為氣體體積減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質的量增大，故壓強P₁＞P₂，故答案為：＞；
③M點甲醇物質的量為0.25mol，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
開始（mol）：1        2.75      0         0
轉化（mol）：0.25     0.75      0.25      0.25
平衡（mol）：0.75     2         0.25      0.25
容器體積為10L，則平衡時CO₂、H₂、CH₃OH、H₂O（g）濃度分別為0.075mol/L、0.2mol/L、0.025mol、L、0.025mol/L，故K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.025×0.025}{0.075×0．{2}^{3}}$=1.04，故答案為：1.04；
（4）甲醇與醇ROH在濃硫酸及加熱條件下制備汽油抗爆震劑 MTBE，MTBE的分子式為C₅H₁₂O，醇ROH為丁醇，MTBE核磁共振氫譜有2個吸收峰，則醇ROH有2種H原子，醇ROH結構簡式為（CH₃）₃COH．
①ROH的名稱為：2-甲基-2-丙醇，故答案為：2-甲基-2-丙醇；
②制備MTBE的化學方程式：CH₃OH+（CH₃）₃COH$→_{△}^{濃硫酸}$CH₃OC（CH₃）₃+H₂O，故答案為：CH₃OH+（CH₃）₃COH$→_{△}^{濃硫酸}$CH₃OC（CH₃）₃+H₂O．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及原電池、反應熱計算、化學平衡常數、化學平衡影響因素、有機物推斷等，是對學生綜合能力的考查，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．