Question

15．二甲醚（CH₃OCH₃）在未来可能替代柴油和液化石油气作为洁净燃料使用．工业上以CO和H₂为原料生产CH₃OCH₃．工业制备二甲醚在催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度230℃～280℃）进行下列反应：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5k1•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）催化反应室中总反应的热化学方程式为3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ•mol^-1．
830℃时反应③的K=1.0，则在催化反应室中反应③的K＞1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）在某温度下，若反应①的起始浓度分别为：c（CO）=1mol/L、c（H₂）=2.4mol/L，5min后达到平衡、CO的转化率为50%，则5min内CO的平均反应速率为0.1mol/（L•min）．
（3）反应②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g） 在某温度下的平衡常数为400．此温度下，在密闭容器中加入CH₃OH，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
浓度/（mol•L-1）	0.64	0.50	0.50

①比较此时正、逆反应速率的大小：υ（正）＞υ（逆） （填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入CH₃OH后，经10min反应达到平衡，此时c（CH₃OH）=0.04mol•L^-1．
（4）“二甲醚燃料电池”是一种绿色电源，其中工作原理如图所示．
①该电池a电极上发生的电极反应式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
②如果用该电池作为电解装置，当有23g二甲醚发生反应时，则理论上提供的电量表达式为0.5mol×12×1.6×10^-19C×6.02×10²³
mol^-1C （1个电子的电量为1.6×10^-19C）．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的系数，进行相应的加减．注意消除中间产物CH₃0H、H₂O．
催化反应室中温度小于830℃，升高温度反应③平衡向正反应移动，平衡常数增大．
（2）5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，根据v（CO）=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO）；
（3）①K=生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比，结合平衡浓度计算，依据浓度商和平衡常数比较判断反应进行的方向；
②根据平衡常数计算平衡浓度，结合反应速率之比等于化学计量数之比计算v（CH₃OH）；
（4）①由图可知，a极通入甲醚，a极是负极发生氧化反应，b极通入氧气，b极为正极，发生还原反应，正极电解反应式为3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，总的电极反应式为CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O，总的电极反应式减去正极反应式可得负极电极反应式；
②先计算出二甲醚的物质的量，计算出转移电子的物质的量，再计算转移电量．

解答 解：（1）已知①CO（ g）+2H₂（g）?CH₃OH（ g）△H₁=-91kJ•mol^-1，
②2CH₃0H（g）?CH₃0CH₃（g）+H₂0（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1，
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1，
根据盖斯定律，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ•mol^-1．催化反应室中温度小于830℃，升高温度反应③平衡向正反应移动，平衡常数增大；
故答案为：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-247kJ•mol^-1；＞；
（2）5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，所以v（CO）=$\frac{0.5mol/L}{5min}$=0.1mol/（L•min），故答案为：0.1mol/（L•min）；
（3）①该反应的平衡常数表达式为：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，将所给浓度带入平衡常数表达式：$\frac{0.5×0.5}{0.6{4}^{2}}$=0.61＜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：＞；
②2CH₃OH（g）≒CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某时刻浓度（mol•L^-1）：0.64           0.5      0.5
转化浓度（mol•L^-1）：2x               x         x  
平衡浓度（mol•L^-1）：0.64-2x         0.5+x      0.5+x
K=$\frac{（0.5+x）^{2}}{（0.64-2x）^{2}}$=400，解得x=0.3mol/L，
故平衡时c（CH₃OH）=0.64mol/L-0.3mol/L×2=0.04mol/L，
故答案为：0.04；
（4）①由图可知，a极通入甲醚，a极是负极发生氧化反应，b极通入氧气，b极为正极，发生还原反应，正极电解反应式为3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，总的电极反应式为CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O，总的电极反应式减去正极反应式可得负极电极反应式，故负极电极反应式为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
故答案为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；
②23g二甲醚的物质的量为$\frac{23g}{46g/mol}$=0.5mol，电解过程中转移电子的物质的量为0.5mol×12=6mol，转移电子的电量为0.5mol×12×1.6×10^-19C×6.02×10²³ mol^-1，故答案为：0.5mol×12×1.6×10^-19C×6.02×10²³ mol^-1．

点评 题目综合性较大，涉及盖斯定律、热化学方程式书写、化学反应速率、化学平衡计算、平衡常数、原电池等内容，难度中等，注意平衡常数的有关计算，成为近几年高考的热点，注意（4）中利用两极电极反应式加合为总电极反应式书写电极反应式．