Question

15．二甲醚是一種重要的清潔燃料．合成二甲醚是解決能源危機的研究方向之一．
（1）用CO₂和H₂可以合成二甲醚（CH₃OCH₃）
已知：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ/mol
CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.1kJ/mol
2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₃=-24.5kJ/mol
則反應2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-122.5kJ•mol^-1．
（2）二甲醚（CH₃OCH₃）燃料電池可以提升能量利用率．利用二甲醚酸性介質燃料電池電解200mL飽和食鹽水（惰性電極），電解一段時間后，陰極收集到標況下的氫氣2.24L（設電解后溶液體積不變）
①二甲醚燃料電池的正極反應式為O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，負極反應式為CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺．
②請寫出電解食鹽水的化學方程式2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑．
③電解后溶液的PH=14，理論上消耗二甲醚的質量為0.8g（保留一位小數）．

Answer 1

分析 （1）首先寫出反應的化學方程式，即2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g），然后利用蓋斯定律計算所需熱化學方程式；
（2）①原電池負極發生氧化反應，二甲醚在負極放電，酸性條件下生成二氧化碳碳，正極是氧氣得到電子在酸性溶液中生成水，結合電荷守恒和原子守恒書寫電極反應；
②電極飽和食鹽水生成氫氧化鈉、氯氣和氫氣；
③根據電解氯化鈉溶液的電解方程式來求溶液的pH，結合電極反應和電子守恒計算消耗二甲醚的質量．

解答 解：（1）利用蓋斯定律進行計算，將三個方程式進行形式變換，
①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ/mol
②CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₂=-41.1kJ/mol
③2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₃=-24.5kJ/mol
蓋斯定律計算①×2-2×②+③得到：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-122.5 kJ•mol^-1
故答案：-122.5 kJ•mol^-1；
（2）①正極上是氧氣得到電子發生還原反應，在酸性溶液中生成生成水，電極反應為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，原電池負極發生氧化反應，二甲醚在負極放電，酸性條件下生成二氧化碳，電極反應式為：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺；
故答案為：O₂+4e^-+4H⁺=2H₂O，CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺；
②電極飽和食鹽水陽極氯離子失電子發生氧化反應生成氯氣，陰極氫離子得到電子發生還原反應生成氫氣，同時溶液中生成氫氧化鈉，反應的化學方程式為：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑，
故答案為：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+Cl₂↑+H₂↑；
③由方程式：2NaCl+2H₂O$\frac{\underline{\;通電\;}}{\;}$2NaOH+H₂↑+Cl₂↑
                           2         22.4
                           0.2mol     2.24L
 由題可知：之后反應為直接電解水，溶液pH值不改變，c（H⁺）=$\frac{1{0}^{-14}}{\frac{0.2mol}{0.2L}}$=10^-14，所以pH=14，
電解過程中電子轉移總數為0.2mol，結合電極反應和電子守恒計算CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，消耗甲醚物質的量=$\frac{0.2}{12}$mol，
質量=$\frac{0.2}{12}$mol×46g/mol=0.8g，
故答案為：14；0.8 g；

點評 本題考查用蓋斯定律進行有關反應熱的計算、鹽類水解的應用、原電池和電解池原理的應用等知識，掌握電極反應書寫和電子守恒的計算是解題的關鍵，題目難度中等．