Question

3．二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世界的新型燃料，在未來可能替代汽油、液化氣、煤氣等并具有優良的環保性能．工業制備二甲醚在催化反應室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）進行下列反應：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）若要增大反應①中H₂的轉化率，在其它條件不變的情況下可以采取的措施為BC．
A．加入某物質作催化劑          B．加入一定量CO
C．反應溫度降低              D．增大容器體積
（2）在某溫度下，若反應①的起始濃度分別為：c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2.4mol/L，5min
后達到平衡，CO的轉化率為50%，則5min內CO的平均反應速率為0.1mol/（L•min）；
若反應物的起始濃度分別為：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L；達到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，則a=5.4mol/L．
（3）催化反應室中總反應3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.1kJ•mol^-1．
判斷該反應易在低溫（填“高溫”或“低溫”）下自發進行．
（4）“二甲醚燃料電池”是一種綠色電源，其工作原理如上圖所示．b電極是正極，
寫出a電極上發生的電極反應式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）若要增大反應①中H₂的轉化率，應改變條件使平衡正向移動，但不能只增大氫氣的濃度，否則氫氣轉化率會降低；
（2）5min后達到平衡，CO的轉化率為50%，則CO濃度減小1mol/L×50%=0.5mol/L，則：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：1      2.4        0
變化（mol/L）：0.5    1          0.5
平衡（mol/L）：0.5   1.4        0.5
再根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO）；根據K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$計算平衡常數，表示出平衡時各組分濃度，再結合平衡常數計算a的值；
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①×2+②+③可得：3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）；
正反應為氣體物質的量減小的反應，則正反應為熵減的反應，△H-T△S＜0反應自發進行；
（4）氫離子經過質子交換膜由左側移向右側，則a為負極，b為正極，負極發生還原反應，二甲醚在負極失去電子，生成二氧化碳與氫離子．

解答 解：（1）A．加入某物質作催化劑，可以加快反應速率，不影響平衡移動，H₂的轉化率不變，故A錯誤；
B．加入一定量CO，平衡正向移動，H₂的轉化率增大，故B正確；
C．正反應為放熱反應，反應溫度降低，平衡正向移動，H₂的轉化率增大，故C正確；
D．增大容器體積，壓強減小，平衡逆向移動，H₂的轉化率減小．
故答案為：BC；
（2）5min后達到平衡，CO的轉化率為50%，則CO濃度減小1mol/L×50%=0.5mol/L，則：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：1      2.4         0
變化（mol/L）：0.5     1      0.5
平衡（mol/L）：0.5    1.4    0.5
5min內CO的平均反應速率v（CO）=$\frac{0.5mol/L}{5min}$=0.1mol/（L．min），
平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$
             CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：4      a          0
變化（mol/L）：2      4          2
平衡（mol/L）：2     a-4       2
則 $\frac{2}{2×（a-4）^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$，解得a=5.4，
故答案為：0.1mol/（L．min）；5.4；
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①×2+②+③可得：3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），
則△H=2×（-90.7kJ•mol^-1）-23.5mol^-1-41.2kJ•mol^-1=-246.1kJ•mol^-1，
正反應為氣體物質的量減小的反應，則正反應為熵減的反應，△H-T△S＜0反應自發進行，故該反應易在 低溫下自發進行，
故答案為：-246.1kJ•mol^-1；低溫；
（4）氫離子經過質子交換膜由左側移向右側，則a為負極，b為正極，負極發生還原反應，二甲醚在負極失去電子，生成二氧化碳與氫離子，負極電極反應式為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案為：正；CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

點評 本題比較綜合，涉及化學平衡影響因素、化學平衡有關計算、反應熱計算、原電池原理等，熟練掌握基礎知識并靈活應用，掌握化學平衡常數的應用，題目難度中等．