Question

4．二甲醚（CH₃OCH₃）是一种清洁、高效、具有优良的环保性能的可燃物，被称为21世纪的新型能源．工业制备二甲醚的生产流程如下：
催化反应室中（压力2.0～10.0MPa，温度300℃）进行下列反应：
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
（1）催化反应室中的总反应：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）．该反应的△H=-246.1kJ/mol．催化反应室中采用300℃的反应温度，理由是保证催化剂的活性最大，提高化学反应速率．
（2）已知：反应①在300℃时的化学平衡常数为0.27．该温度下将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，此时反应将逆向进行（填“正向进行”、“逆向进行”或“处于平衡状态”）．
（3）上述流程中二甲醚精制的实验操作名称为蒸馏．
（4）如图为绿色电源“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图．该电池工作时，H⁺向正极移动（填“正”或“负”）；a电极的电极反应式为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律由已知的热化学方程式乘以相应的数值进行加减，来构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的数值进行加减；
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）计算浓度商Qc，Qc=k，处于平衡状态；Qc＞k，向逆反应进行；Qc＜k，向正反应进行；
（3）分离沸点相差较大的互溶液体，常用方法是蒸馏；
（4）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，正极反应还原反应，氧气在正极放电，由图可知，氢离子移向b电极，a极为负极，二甲醚放电生成二氧化碳与氢离子．

解答 解：（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，
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，采用300℃的反应温度，目的（保证催化剂的活性最大），提高化学反应速率，
故答案为：-246.1kJ/mol；保证催化剂的活性最大，提高化学反应速率；
（2）该温度下将2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容积为2L的密闭容器中，此时c（CO）=1mol/L，c（H₂）=1.5mol/L，c（CH₃OH）=1mol/L，浓度商Qc=$\frac{1}{1×1．{5}^{2}}$=0.44，大于平衡常数0.27，故反应向逆反应进行，
故答案为：逆向进行；
（3）二甲醚、乙醇、水为互溶的液体，沸点不同，采取蒸馏的方法将二甲醚分离，
故答案为：蒸馏；
（4）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，正极反应还原反应，氧气在正极放电．由图可知，氢离子移向b电极，b电极正极，a极为负极，二甲醚放电生成二氧化碳与氢离子，a电极的电极反应式为 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，
故答案为：正；CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

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，（4）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．