Question

【题目】甲醇（CH3OH）和二甲醚（CH3OCH3）被称为21世纪的新型燃料，具有清洁、高效等性能。

（1）CO2可用于合成二甲醚（CH3OCH3），有关反应的热化学方程式如下：

CO2(g) + 3H2(g)＝CH3OH(g) + H2O(g) △H=－49.0 kJ·mol-1

2CH3OH(g)＝CH3OCH3(g) + H2O(g) △H=－23.5 kJ·mol-1

H2O(l)＝H2O(g) △H= + 44 kJ·mol-1

则CO2与H2反应合成二甲醚生成液态水的热化学方程式为：____________________。

（2）工业上合成甲醇的反应：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H=－90.8 kJ·mol-1。 下列不能说明该反应在恒温恒容条件下已达化学平衡状态的是___________

A．v正(H2) = 2v逆(CH3OH) B．n(CO):n(H2):n(CH3OH)=1:2:1

C．混合气体的密度不变 D．混合气体的平均相对分子质量不变 E．容器的压强不变

（3）若反应2CH3OH(g) CH3OCH3(g) + H2O(g)在某温度下的化学平衡常数为400，此温度下，在密闭容器中加入一定量甲醇，反应进行到某时刻，测得各物质的浓度如下表所示：

物质	CH3OH(g)	CH3OCH3(g)	H2O(g)
浓度（mol·L-1）	0.44	0.60	0.60

①比较该时刻正、逆反应速率的大小：v(正)_____v(逆)（填“>”、“<”或“=”）。

②若加入甲醇后，经10 min反应达到平衡，则平衡后c(CH3OH)=______________，

该时间内反应速率v(CH3OCH3)=_____________。

（4）利用二甲醚（CH3OCH3）设计一个燃料电池，用KOH溶液作电解质溶液，石墨做电极，该电池负极电极反应式为___________________________。以此燃料电池作为外接电源按如图所示电解硫酸铜溶液，如果起始时盛有1000mLpH=5的硫酸铜溶液（25℃，CuSO4足量），一段时间后溶液的pH变为1，若要使溶液恢复到起始浓度（温度不变，忽略溶液体积的变化），可向溶液中加入______其质量约为_____g。

Answer 1

【答案】2CO2（g）+6H2（g）═CH3OCH3（g）+3H2O（l）△H=-253.5kJmol-1 BC ＞ 0.04molL-1 0.08molL-1min-1 CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O CuO 4g

【解析】

（1）根据盖斯定律分析作答；

（2）变量不变时，可以说明反应达到平衡状态；

（3）①根据各组分的浓度商与平衡常数的大小进行判断反应方向及正逆反应速率大小；

②设达到平衡时又消耗了xmol甲醇，利用三段式及平衡常数列出方程式进行计算平衡时甲醇浓度及二甲醚的反应速率；

（4）燃料电池中，负极上是燃料甲醚发生失电子的氧化反应，正极反应为氧气得到电子发生还原反应，在碱性环境中生成氢氧根离子；电解池中，根据电解原理反应，结合电子转移数相等找出关系式分析计算。

（1）已知①CO2(g) + 3H2(g)＝CH3OH(g) + H2O(g) △H=－49.0 kJ·mol-1

②2CH3OH(g)＝CH3OCH3(g) + H2O(g) △H=－23.5 kJ·mol-1

③H2O(l)＝H2O(g) △H= + 44 kJ·mol-1

根据盖斯定律①×2＋②-③×3得出CO2与H2反应合成二甲醚生成液态水的热化学方程式为2CO2（g）+6H2（g）═CH3OCH3（g）+3H2O（l）△H=-253.5kJmol-1，故答案为：2CO2（g）+6H2（g）═CH3OCH3（g）+3H2O（l）△H=-253.5kJmol-1；

（2）A．v正（H2）=2v逆（CH3OH），表示的是正逆反应速率，且满足二者计算量关系，说明反应达到平衡状态，故A错误；

B．n（CO）：n（H2）：n（CH3OH）=1：2：1，物质的量之比，无法判断正逆反应速率是否相等，无法判断是否达到平衡状态，故B正确；

C．混合气体的密度不变，反应前后都是气体，容器的容积不变，所以气体的密度始终不变，密度不能作为判断平衡状态的依据，故C正确；

D．该反应是气体体积缩小的反应，反应过程中气体的物质的量发生变化，混合气体的平均分子量发生变化，若混合气体的平均相对分子质量不变，说明达到了平衡状态，故D错误；

E．该反应是体积缩小的反应，气体的物质的量在反应中发生变化，若容器的压强不变，说明正逆反应速率相等，达到了平衡状态，故E错误；

故答案为：BC；

（3）①此时的浓度商为：Qc= =1.86＜400，故反应向正反应方向进行，正反应速率大于逆反应速率，故答案为：＞；

②设达到平衡时据此又消耗了xmol，则

则K= =400，解得x=0.2mol/L，故平衡时c（CH3OH）=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L，则10min生成二甲醚的浓度为：0.6mol/L+0.2moL/L=0.8mol/L，

所以甲醇的反应速率为v（CH3OH）= =0.08mol/（Lmin），

故答案为：0.04molL-1；0.08molL-1min-1；

（4）燃料电池中，负极上是燃料甲醚发生失电子的氧化反应，在碱性环境下，即为：CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O，正极反应为氧气得到电子发生还原反应，在碱性环境中生成氢氧根离子，正极反应为3O2+12e-+6H2O=12OH-。

下半部分为电解池，由电子流向可知，Fe为阴极，铜离子得到电子生成Cu，阴极反应式：Cu2+ +2e-==Cu 阳极反应式：4OH- -4e-==2H2O+O2↑，从体系中脱离的是Cu和O，且原子比例为1:1，所以向溶液中加入CuO，pH=1时H+浓度为0.1mol/L，溶液体积为1L，故H+的物质的量为0.1mol，因为反应前H+较少，可以认为0.1molH+全部来自于电解2H2O-4e-=O2+4H+，故产生0.1molH+就会产生0.25molO2，含有0.05molO原子，根据原子守恒，需要补充0.05mol CuO，CuO的质量为0.05mol×80g/mol= 4g。

故答案为：CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O；CuO；4g。