Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是無色氣體，可作為一種新型能源，由合成氣（組成為H₂、CO、和少量CO₂）直接制備二甲醚，其中主要過程包括以下四個反應（均為可逆反應）：
①CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1
②CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₂=-49.0kJ?mol^-1
水煤氣變換反應 ③CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.1kJ?mol^-1
二甲醚合成反應 ④2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1
（1）由H₂和CO直接制備二甲醚（另一產物為水蒸氣）的熱化學方程式為

 

．
（2）一定溫度下，在恒容密閉容器中進行反應①，下列描述能說明反應到達平衡狀態的是

 

．
a．容器中氣體平均相對分子質量保持不變      b．容器中氣體密度保持不變
c．CH₃OH（g）濃度保持不變                d．CH₃OH（g）的消耗速率等于H₂（g）的消耗速率
（3）一定溫度下，將8mol CH₃OH（g）充入5L密閉容器中進行反應④，一段時間后到達平衡狀態，反應過程中共放出49kJ熱量，則CH₃OH（g）的平衡轉化率為

 

，該溫度下，平衡常數K=

 

；該溫度下，向容器中再充入2mol CH₃OH（g），對再次達到的平衡狀態的判斷正確的是

 

．
a．CH₃OH（g）的平衡轉化率減小        b．CH₃OCH₃（g）的體積分數增大
c．H₂O（g）濃度為0.5mol?L^-1         d．容器中的壓強變為原來的1.25倍
（4）二甲醚-氧氣燃料電池具有啟動快，效率高等優點，其能量密度高于甲醇燃料電池，若電解質為酸性，二甲醚-氧氣燃料電池的負極反應為

 

；消耗2.8L（標準狀況）氧氣時，理論上流經外電路的電子

 

mol．

Answer 1

考點：用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學電源新型電池,化學平衡狀態的判斷,化學平衡的計算

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到；
（2）達到化學平衡時，正逆反應速率相等，各個組分的濃度不隨著時間的變化而變化，根據化學平衡的特征，由此衍生出的一系列物理量都不變，據此來判斷；
（3）根據放出49kJ熱量結合熱化學方程式求解CH₃OH（g）的平衡轉化率，平衡常數等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比；根據平衡移動的影響判斷移動方向，反應達到平衡時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不再發生改變，由此衍生的一些物理量也不再發生變化；
（4）燃料電池中燃料在負極上失電子發生氧化反應，書寫電極反應，計算電子轉移數．

解答： 解：（1）①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1
④2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1
依據蓋斯定律①×2+④得到：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1；
故答案為：2CO（g）+4H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1；
（2）CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1
a．由于該反應是體積減小的反應，在反應到達平衡的過程中，容器中氣體平均相對分子質量保持不變，能判斷反應是否處于平衡狀態，故a正確；
b．由于該反應在恒容條件下進行，反應前后氣體的質量不變，容器的體積不變，所以密度也守恒，容器中氣體密度保持不變，不能判斷反應是否處于平衡狀態，故b錯誤；
c．反應到達平衡狀態時，正逆反應速率相等，平衡時各物質的濃度、百分含量不變，CH₃OH（g）濃度保持不變，能判斷反應是否處于平衡狀態，故c正確；
d．CH₃OH（g）的消耗速率為逆反應，H₂（g）的消耗速率為正反應，兩者相等，不能說明正逆反應速率相等，當CH₃OH（g）的消耗速率與H₂（g）的消耗速率比為1：2時正逆反應速率相等，故d錯誤；
故選ac；
（3）2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1，2mol甲醇反應放出24.5KJ的熱量，反應過程中共放出49kJ熱量，說明將8mol CH₃OH（g）充入5L密閉容器中進行反應，有4mol甲醇已經轉化，所以轉化率為

4

8

×100%=50%，
    2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始：1.6mol/L        0               0
轉化：0.8mol/L      0.4mol/L         0.4mol/L
平衡：0.8mol/L      0.4mol/L         0.4mol/L
化學平衡常數為生成物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪乘積的比值，
則化學平衡常數為K=

0.4mol/L×0.4mol/L

(0.8mol/L)2

=0.25；
該溫度下，向容器中再充入2mol CH₃OH（g），反應物濃度增大，平衡向正反應方向移動，溫度不變，平衡常數不變，設甲醇轉化了Xmol/L，則
    2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始：2mol/L           0               0
轉化：xmol/L           

1

2

xmol/L         

1

2

xmol/L
平衡：（2-x）mol/L      

1

2

xmol/L         

1

2

xmol/L    

1 2 x× 1 2 x

(2-x)2

=0.25，解得：x=1，
a．CH₃OH（g）的平衡轉化率

1mol/L

2mol/L

×100%=50%不變，故a錯誤；       
b．CH₃OH（g）的平衡轉化率不變，CH₃OCH₃（g）的體積分數也不變，故b錯誤；
c．H₂O（g）濃度為

1

2

xmol/L=0.5mol?L^-1，故c正確；      
d．容器中的壓強比為物質的量比，所以變為原來的

(1mol/L+0.5mol/L+0.5mol/L)×5L

(0.8mol/L+0.4mol/L+0.4mol/L)×5L

=1.25倍，故d正確；
故答案為：50%；0.25；cd；
（4）若電解質為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為二甲醚失電子生成二氧化碳，結合原子守恒和電荷守恒寫出電極反應為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺； 電解質為酸性，氧氣在正極發生還原反應，O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O，消耗2.8L（標準狀況）氧氣時，理論上流經外電路的電子為

2.8L

22.4L/mol

×4=0.5mol，
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；0.5．

點評：本題考查了熱化學方程式和蓋斯定律的應用、化學平衡移動原理的分析判斷、原電池原理分析和電極書寫，掌握基礎是關鍵，注意（3）三段式的求解，注意（4）電極反應式的書寫，題目難度中等．