Question

3．DME（二甲醚、CH₃OCH₃）是一种重要的清洁能源，可作为柴油的理想替代燃料和民用燃料，被誉为“二十一世纪的新能源”．另外，二甲醚还被广泛用作致冷剂、气雾剂以及有机化工中间体．
（1）工业上一步法制二甲醚的生产流程如下：

在一定的温度（230-280℃）、压强（2-10MPa）和催化剂作用下，反应器中进行下列一些反应：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ•mol^-1
2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
①反应器中总反应式可表示为：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），则该反应的△H=：-246.1kJ/mol．
②在生产过程中反应器必须要进行换热，以保证反应器的温度控制在230-280⁰C，其原因是因为这些反应均为放热反应，随着反应的进行，反应器内温度必升高．而温度升高，化学平衡向左移动，同时，温度不断升高，催化剂的活性将降低，均不利于二甲醚的合成．
（2）CO₂是大气中含量最高的一种温室气体，控制和治理CO₂是解决温室效应的有效途径．目前，由CO₂来合成二甲醚已取得了较大的进展，其化学反应是：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0．判断该反应在一定条件下，体积恒定的密闭容器中是否达到化学平衡状态的依据是BD．
A．容器中密度不变          B．容器内压强保持不变
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3      D．单位时间内消耗2molCO₂，同时消耗1mol二甲醚
（3）如图为二甲醚燃料电池的工作原理示意图．请回答下列问题：

①A电极是正极．
②B电极上发生的电极反应式是CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．
③若燃料电池中通入二甲醚（沸点为-24.9℃）的速率为1.12L/min（标准状况），以该燃料电池作为电源电解2mol•L^-1CuSO₄溶液500mL，则通电30秒钟后理论上在阴极可析出金属铜7.2g（假设整个过程中，能量利用率为75%）．

Answer 1

分析 （1）①由反应①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ•mol^-1，②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1，③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1，将①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ/mol，根据盖斯定律可计算反应的△H；
②反应放热，高温不利用原料的利用，温度低原料利用率高，但反应较慢，不利于实际生产；
（2）化学平衡状态的标志是正逆反应速率相同，各组分浓度保持不变，分析选项判断；
（3）依据图示分析通入氧气的一端为正极，通入二甲醚的一端为负极，电解质溶液为酸性环境，二甲醚失电子生成二氧化碳，根据电子守恒写出电极反应；依据二甲醚通入的量计算物质的量，结合电子守恒计算析出铜的质量

解答 解：（1）①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，由盖斯定律可知，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ/mol，
故答案为：-246.1kJ/mol；
②因为这些反应均为放热反应，随着反应的进行，反应器内温度必升高．而温度升高，化学平衡向左移动，同时，温度不断升高，催化剂的活性将降低，均不利于二甲醚的合成，所以反应器的温度控制在230-280⁰C，
故答案为：因为这些反应均为放热反应，随着反应的进行，反应器内温度必升高．而温度升高，化学平衡向左移动，同时，温度不断升高，催化剂的活性将降低，均不利于二甲醚的合成；
（2）根据：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0可知，该反应为气体体积减小的吸热反应，所以在一定温度下，体积恒定的密闭容器中，
A．反应前后气体质量守恒，体积固定，所以过程中密度不变，容器的密度不变不能证明反应达到平衡，故A错误；
B．反应前后气体体积变化，容器内压强保持不变说明反应达平衡状态，故B正确；
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3无法判断正逆反应速率是否相等，故C错误；
D．单位时间内消耗2mol CO₂，同时消耗1mol二甲醚证明反应的正逆反应速率相同，能说明反应达到平衡，故D正确；
故答案为：BD； 
（3）①反应本质是二甲醚的燃烧，原电池负极发生氧化反应，二甲醚在负极放电，正极发生还原反应，氧气在正极放电，故A为正极，
故答案为：正极；
②由①分析可知，B极为负极，A为正极，二甲醚放电生成二氧化碳与氢离子，B电极的电极反应式为 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺，
故答案为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺；
③若以1.12L•min^-1（标准状况）的速率向该电池中通入二甲醚，用该电池电解500mL 2mol•L^-1 CuS0₄溶液，通电0.50min后，通入二甲醚物质的量=$\frac{1.12L/min×0.50min}{22.4L/mol}$=0.025mol；
依据电极反应电子守恒，CH₃OCH₃--12e^---6Cu²⁺，整个过程中，能量利用率为75%，
n（Cu²⁺）=0.025mol×75%×6=0.1125mol
m（Cu）=0.1125mol×64g/mol=7.2g，所以理论上可析出金属铜的质量7.2g，
故答案为：7.2．

点评 本题综合性较大，涉及反应热、化学平衡、原电池、实验基本操作等，难度中等，（3）中电极反应式书写是易错点，可以先写出正极电极反应式，利用总反应式减正极反应式即为负极反应式，注意电子守恒的计算应用．