Question

14．新的研究表明二甲醚（DME）是符合中國能源結構特點的優良車用替代燃料，二甲醚催化重整制氫的反應過程，主要包括以下幾個反應（以下數據為25℃、1.01×10⁵Pa測定）：
①CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）?2CH₃OH（l）△H=+24.52kJ/mol
②CH₃OH（l）+H₂O（l）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.01kJ/mol
③CO（g）+H₂O（l）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.17kJ/mol
④CH₃OH（l）?CO （g）+2H₂（g）△H=+90.1kJ/mol
請回答下列問題：
（1）寫出用二甲醚制H₂同時全部轉化為CO₂時反應的熱化學方程式CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+122.52KJ/mol．
（2）200℃時反應③的平衡常數表達式K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$．
（3）在一常溫恒容的密閉容器中，放入一定量的甲醇如④式建立平衡，以下可以作為該反應達到平衡狀態的判斷依據為A．
A．容器內氣體密度保持不變         B．氣體的平均相對分子質量保持不變
C．CO的體積分數保持不變          D．CO與H₂的物質的量之比保持1：2不變
（4）工業生產中測得不同溫度下各組分體積分數及二甲醚轉化率的關系如圖1，2所示，

①你認為反應控制的最佳溫度應為C．
A．300～350℃B．350～400℃
C．400～450℃D．450～500℃
②在溫度達到400℃以后，二甲醚與CO₂以幾乎相同的變化趨勢明顯降低，而CO、H₂體積分數也以幾乎相同的變化趨勢升高，分析可能的原因是（用相應的化學方程式表示）可能發生另一種制氫反應為CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO．
（5）某一體積固定的密閉容器中進行反應②，200℃時達平衡；請在圖4補充畫出：t₁時刻升溫，在t₁與t₂之間某時刻達到平衡；t₂時刻添加催化劑，CO₂的百分含量隨時間變化圖象．
（6）一定條件下，如圖3示裝置可實現有機物的電化學儲氫（忽略其它有機物），則陰極的電極反應式為．

Answer 1

分析 （1）①CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）?2CH₃OH（l）△H=+24.5kJ/mol 
②CH₃OH（l）+H₂O（l）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.01kJ/mol
由蓋斯定律可知，①+②×2得：CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g），以此計算反應熱并書寫熱化學方程式；
（2）平衡常數為生成物濃度的冪次方之積與反應物濃度的冪次方之積的比；
（3）當化學反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各物質的濃度不再發生變化，根據密度和平均相對分子質量的公式進行分析解答該題；
（4）①由圖可知在400-450℃時，二甲醚的濃度最小，轉化率最大；
②溫度超過400℃，二甲醚與二氧化碳相同的比例降低，CO與氫氣相同的比例升高，說明二甲醚與二氧化碳以1：1反應，生成CO與氫氣的比例相同，則反應的方程式為：CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO；
（5）t₁時升高溫度，平衡向正反應方向移動，CO₂的百分含量增加，據此畫圖；
（6）由圖可知，左側苯轉化為環己烷，則左側為陰極，陰極上苯得到電子．

解答 解：（1）①CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）?2CH₃OH（l）△H=+24.5kJ/mol 
②CH₃OH（l）+H₂O（l）?CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49.01kJ/mol
由蓋斯定律可知，①+②×2得：CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+24.5kJ/mol+49.01kJ/mol×2=+122.52KJ/mol，則熱化學方程式為CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+122.52KJ/mol，
故答案為：CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）?2CO₂（g）+6H₂（g）△H=+122.52KJ/mol；
（2）③200℃時CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.17kJ/mol，平衡常數表達式K=$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$，故答案為：$\frac{c（C{O}_{2}）c（{H}_{2}）}{c（CO）c（{H}_{2}O）}$；
（3）A．在恒容容器中，體積不變，由CH₃OH（l）?CO（g）+2H₂（g）反應可得反應前后氣體質量在變，所以密度保持不變，證明達到了化學平衡狀態，故A正確；
B．由于甲醇為液體，氣體的組成一直不變，CO與氫氣的物質的量之比一直是1：2，則平均相對分子質量一直不變，所以平均相對分子質量保持不變不能證明達到了化學平衡狀態，故B錯誤；
C．由于甲醇為液體，氣體的組成一直不變，CO與氫氣的物質的量之比一直是1：2，所以CO的體積分數一直不變，所以CO的體積分數保持不變，不能證明達到了化學平衡狀態，故C錯誤；
D．由于甲醇為液體，氣體的組成一直不變，CO與氫氣的物質的量之比一直是1：2，所以不能證明達到了化學平衡狀態，故D錯誤．
故答案為：A；
（4）①由圖可知在400-450℃時，二甲醚的濃度最小，轉化率最大，故答案為：C；
②溫度超過400℃，二甲醚與二氧化碳相同的比例降低，CO與氫氣相同的比例升高，說明二甲醚與二氧化碳以1：1反應，生成CO與氫氣的比例相同，則反應的方程式為：CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO，
故答案為：可能發生另一種制氫反應為CH₃OCH₃+CO₂?3H₂+3CO；
（5）t₁時升高溫度，平衡向正反應方向移動，CO₂的百分含量增加，圖象為，
故答案為：；
（6）由圖可知，左側苯轉化為環己烷，則左側為陰極，陰極上苯得到電子，則陰極反應式為，
故答案為：．

點評 本題考查較為綜合，涉及蓋斯定律的應用、化學平衡常數、平衡狀態的判斷、圖表信息的提取與應用及電極反應等，綜合性強，側重分析與應用能力的綜合考查，題目難度中等．