Question

9．二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀的新型燃料，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，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；830℃時反應③的K=1.0，則在催化反應室中反應③的K＞1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（4）二甲醚燃燒熱為1455kJ•mol^-1，則二甲醚燃燒的熱化學方程式為CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol．
（5）“二甲醚燃料電池”是一種綠色電源，其工作原理如圖所示．寫出a電極上發生的電極反應式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）已知反應①是體積減小的放熱反應，根據外界條件對平衡的影響分析；
（2）5min后達到平衡，CO的轉化率為50%，則△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，根據v（CO）=$\frac{△c}{△t}$計算v（CO）；
計算該溫度下的平衡常數，根據平衡常數計算平衡時氫氣的濃度，根據甲醇的平衡濃度計算氫氣濃度的變化量，進而計算a的值；
（3）根據蓋斯定律由已知的熱化學方程式乘以相應的數值進行加減，來構造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的數值進行加減；
（4）依據燃燒熱概念含義是1mol甲醚完全燃燒生成穩定氧化物二氧化碳和液態水放出的熱量為燃燒熱，結合書寫方法寫出熱化學方程式；
（5）依據圖示分析通入氧氣的一端為正極，通入二甲醚的一端為負極，電解質溶液為酸性環境，二甲醚失電子生成二氧化碳，根據電子守恒寫出電極反應．

解答 解：（1）已知反應①是體積減小的放熱反應，若要增大反應①中H₂的轉化率，則需要使平衡正移，所以改變的條件為加入一定量CO或反應溫度降低；
故答案為：BC；
（2）5min后達到平衡，CO的轉化率為50%，則△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，所以v（CO）=$\frac{0.5mol/L}{5min}$=0.1mol/（L•min）；
該溫度到達平衡時，c（CO）=0.5mol/L，c（H₂）=2.4mol/L-2×0.5mol/L=1.4mol/L，c（CH₃OH）=0.5mol/L，所以該溫度下，平衡常數k=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{25}{49}$，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，則平衡時c′（CO）=4mol/L-2mol/L=2mol/L，令平衡時氫氣的濃度為ymol/L，所以$\frac{2}{2×{y}^{2}}$=$\frac{25}{49}$解得y=1.4，故a=2mol/L×2+1.4mol/L=5.4mol/L．
故答案為：0.1mol/（L•min）；5.4．
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol，
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol，
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol，
由蓋斯定律可知，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ/mol，
催化反應室中溫度低于830°C，反應是放熱反應，降低溫度平衡正向進行，平衡常數增大，K＞1.0，
故答案為：-246.1kJ/mol，＞；
（4）甲醚的燃燒熱為1455kJ/mol，則燃燒方式的熱化學方程式為：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol；
故答案為：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol；
（5）反應本質是二甲醚的燃燒，原電池負極發生氧化反應，二甲醚在負極放電，正極反應還原反應，氧氣在正極放電．由圖可知，a極為負極，b為正極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子，a電極的電極反應式為 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺；
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

點評 本題考查熱化學方程式書寫，燃燒熱概念，平衡移動，圖象分析應用，原電池電極反應的書寫方法，題目難度中等．