Question

7．二甲醚（CH₃OCH₃）和甲醇（CH₃OH）被稱為21世紀的新型燃料．以CH₄和H₂O為原料制備二甲醚和甲醇的工業流程如下：

請填空：
（1）在一定條件下，反應室1中發生反應：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H＞0．將1.0molCH₄和2.0molH₂O通人反應室1（假設容積為10L），10min末有0.1molCO生成，則10min內反應的平均速率v（H₂）=0.003mol/（L．min）．該反應平衡常數的表達式：K=$\frac{c（CO）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）．c（{H}_{2}O）}$．
（2）已知：CH₃OCH₃ （g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（g）△H=-1323KJ/mol；
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484KJ/mol；
CO的燃燒熱：283KJ/mol．
在一定條件下，反應室2的可逆反應除生成二甲醚外還生成了氣態水，該熱化學方程式為2CO（g）+4H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-211kJ/mol．（本題涉及的條件均在同一條件下）
（3）綠色電源“二甲醚-氧氣燃料電池”的工作原理如圖1所示，寫出X電極的電極反應式（CH₃）₂O-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺
（4）反應室3中在催化劑作用下發生如下反應：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）．對此反應進行如下研究：
①在容積為1L的密閉容器中分別充入1molCO和2molH₂，實驗測得甲醇的物質的量和溫度、時間的關系曲線如圖2所示．

則：該正反應的△H＜0（填“＜”、“＞”或“=“）．
②在容積均為1L的a、b、c三個相同密閉容器中分別充入1mol CO和2mol H₂，三個容器的反應溫度分別為T₁、T₂、T₃，在其他條件相同情況下，實驗測得反應均進行到5min時甲醇的體積分數如圖3所示．下列說法正確的是BD
A．a、b、c三容器5min時的正反應速率大小為：b＞a＞c
B．達到平衡時，a、b、c中CO轉化率為a＞b＞c
C．5min時，a、b、c三容器中的反應均可能達到平衡狀態．
D．將容器b中的平衡狀態轉變到容器c中的平衡狀態，可采取的措施有升溫或減壓．

Answer 1

分析 （1）10min內反應的平均速率v（CO）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$，v（H₂）=3v（CO）；該反應平衡常數K等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比；
（2）CH₃OCH₃ （g）+3O₂（g）=2 CO₂（g）+3H₂O（g）△H=-1323KJ/mol①；
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484KJ/mol②；
CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）H=-283KJ/mol③，
將方程式2②+2③-①得2CO（g）+4H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），焓變進行相應的改變；
（3）根據氫離子移動方向知，X是負極、Y是正極，該原電池是燃料電池，則X電極上二甲醚失電子發生氧化反應、Y電極上氧氣得電子發生還原反應，X電極上二甲醚失電子生成二氧化碳和氫離子；
（4）①升高溫度平衡向吸熱方向移動，根據甲醇的物質的量多少判斷焓變；
②A．溫度越高化學反應速率越快；
B．該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動；
C．該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，溫度由T₁到T₂平衡正向移動，由T₂到T₃平衡逆向移動；
D．該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動；反應后氣體體積小于反應前，減小壓強．平衡逆向移動．

解答 解：（1）10min內反應的平均速率v（CO）=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$=$\frac{\frac{0.1mol}{10L}}{10min}$=0.001mol/（L．min），v（H₂）=3v（CO）=0.003mol/（L．min）；該反應平衡常數K等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比，所以該反應化學平衡常數K=$\frac{c（CO）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）．c（{H}_{2}O）}$，
故答案為：0.003mol/（L．min）；K=$\frac{c（CO）．{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）．c（{H}_{2}O）}$；
（2）CH₃OCH₃ （g）+3O₂（g）=2 CO₂（g）+3H₂O（g）△H=-1323KJ/mol①；
2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O（g）△H=-484KJ/mol ②；
CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）H=-283KJ/mol③，
將方程式2②+2③-①得2CO（g）+4H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），△H=2×（-484kJ/mol）+2×（-283kJ/mol）-（-1323kJ/mol）=-211kJ/mol，
故答案為：2CO（g）+4H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-211kJ/mol；
（3）根據氫離子移動方向知，X是負極、Y是正極，該原電池是燃料電池，則X電極上二甲醚失電子發生氧化反應、Y電極上氧氣得電子發生還原反應，X電極上二甲醚失電子生成二氧化碳和氫離子，電極反應式為（CH₃）₂O-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，
故答案為：（CH₃）₂O-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺；
（4）①升高溫度平衡向吸熱方向移動，根據圖知，升高溫度甲醇體積分數降低，說明平衡逆向移動，則正反應是放熱反應，焓變小于0，故答案為：＜；
②A．溫度越高化學反應速率越快，溫度T₁＜T₂＜T₃，所以反應速率a＜b＜c，故A錯誤；
B．該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，溫度T₁＜T₂＜T₃，所以CO轉化率a＞b＞c，故B正確；
C．該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，溫度由T₁到T₂平衡正向移動，由T₂到T₃平衡逆向移動，所以a未達到平衡狀態，b可能達到平衡狀態，c達到平衡狀態，故C錯誤；
D．該反應為放熱反應，升高溫度，平衡逆向移動；反應后氣體體積小于反應前，減小壓強．平衡逆向移動，故將容器b中的平衡狀態轉變到容器c中的平衡狀態，可采取的措施有升溫或減壓，故D正確，
故答案為：BD．

點評 本題考查化學平衡計算、原電池原理等知識點，側重考查學生圖象分析判斷及計算能力，難點是電極反應式的書寫及（4）圖象分析，易錯點是（4）②中C平衡點判斷，題目難度中等．