Question

13．碳和碳的化合物在生产、生活中的应用非常广泛，“低碳生活”已成潮流，清洁能源的开发、煤的综合利用等是实现“低碳生活”的重要途径．试运用所学知识，回答下列问题：
（1）甲烷是一种重要的清洁燃料
①甲烷燃烧放出大量的热，可直接作为能源用于人类的生产和生活．
已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
则表示甲烷燃烧热的热化学方程式CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890KJ．mol^-1；请从化学反应的本质解释甲烷燃烧放出热量的原因：化学反应过程中，反应物化学键的破坏需要吸收能量，而生产物化学键的形成要放出能量，当化学键的破坏需要吸收能量小于化学键的形成要放出能量．
②在甲烷燃料电池中，甲烷的化学能利用率大大提高．将两个石墨电极插入KOH溶液中，向两极分别通入CH₄和O₂，其负极电极反应式是：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O．
（2）二甲醚也是一种重要的清洁燃料，工业上可利用煤的气化产物（水煤气）合成二甲醚．
①利用水煤气合成二甲醚的热化学方程式为：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-274kJ/mol
该反应在一定条件下的密闭容器中达到平衡后，为同时提高反应速率和二甲醚的产率，可以采取的措施是bd  （填字母代号）．
a．降低温度  b．缩小容器体积  c．加入催化剂
d．增加H₂的浓度     e．分离出二甲醚
②二甲醚也可以通过CH₃OH分子间脱水制得
2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
已知在280℃，体积不变的密闭容器中进行上述反应，t2时达到平衡，各组分起始和平衡浓度见下表．

	CH3OH（g）	CH3OCH3（g）	H2O（g）
起始浓度 mol/L	2.00	0.50	0
平衡浓度 mol/L	c1	1.00	c2

①表中c₁=1．
在t₂min内平均反应速率v（H₂O）=$\frac{1}{2{t}_{2}}$mol/（L．min）．
②若在400℃，相同的密闭容器中进行上述反应，请在下图中画出CH₃OCH₃浓度随时间变化的关系图（要求同时画出280℃的，并做好标注）．

Answer 1

分析 （1）①已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
根据盖斯定律，（①+②）×$\frac{1}{2}$可得：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），反应热也进行相应计算；
化学反应过程中，反应物化学键的破坏需要吸收能量，而生产物化学键的形成要放出能量，当化学键的破坏需要吸收能量小于化学键的形成要放出能量；
②负极发生氧化反应，甲烷在负极上失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水；
（2）①a．降低温度反应速率减慢；
b．缩小容器体积，压强增大，反应速率加快，平衡向气体体积减小的方向移动；
c．加入催化剂不影响平衡移动；
d．增加H₂的浓度，反应速率加快，平衡正向移动；
e．分离出二甲醚，反应速率减慢；
②．①平衡时甲醚浓度变化量为1mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，由方程式可知甲醇的浓度变化量为1mol/L，水的浓度变化量为0.5mol/L，甲醇的平衡浓度=甲醇起始浓度-浓度变化量，根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂O）；
②升高温度反应速率加快，到达平衡的水解缩短，开始阶段反应速率高于280℃，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡时甲醚的浓度小于1mol/L，

解答 解：（1）①已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
根据盖斯定律，（①+②）×$\frac{1}{2}$可得：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），故热化学方程式为：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890KJ．mol^-1，
化学反应过程中，反应物化学键的破坏需要吸收能量，而生产物化学键的形成要放出能量，当化学键的破坏需要吸收能量小于化学键的形成要放出能量，
故答案为：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890KJ．mol^-1；化学反应过程中，反应物化学键的破坏需要吸收能量，而生产物化学键的形成要放出能量，当化学键的破坏需要吸收能量小于化学键的形成要放出能量；
②负极发生氧化反应，甲烷在负极上失去电子，碱性条件下生成碳酸根离子与水，负极电极反应式为：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案为：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
（2）①a．正反应为放热反应，降低温度平衡逆向移动，二甲醚的产率降低，降低温度反应速率减慢，故a错误；
b．缩小容器体积，压强增大，反应速率加快，平衡向正向移动，二甲醚的产率增大，故b正确；
c．加入催化剂加快反应速率，但不影响平衡移动，二甲醚的产率不变，故c错误；
d．增加H₂的浓度，反应速率加快，平衡正向移动，二甲醚的产率增大，故d正确；
e．分离出二甲醚，平衡正向移动，二甲醚的产率增大，但反应速率减慢，故e错误，
故选：bd；
②．①平衡时甲醚浓度变化量为1mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，
             2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）：2           0.5         0
变化量（mol/L）：1           0.5         0.5
平衡量（mol/L）：1           1           0.5
则表中c₁=1mol/L，在t₂min内平均反应速率v（H₂O）=$\frac{0.5mol/L}{{t}_{2}min}$=$\frac{1}{2{t}_{2}}$mol/（L．min），
故答案为：1；$\frac{1}{2{t}_{2}}$mol/（L．min）；
②升高温度反应速率加快，到达平衡的水解缩短，开始阶段反应速率高于280℃，正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡时甲醚的浓度小于1mol/L，
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1，温度升高，化学反应速率加快，达到平衡的时间小于t₂，平衡逆向移动，达到平衡时，CH₃OCH₃浓度小于1.00mol/L，CH₃OCH₃浓度随时问变化的关系图为，
故答案为：．

点评 本题考查化学平衡计算及影响因素、热化学方程式书写、原电池等，较好的考查学生分析解决问题的能力，难度中等．