Question

9．二甲醚（CH₃OCH₃）被称为21世纪的新型燃料，在未来可能替代汽油、液化气、煤气等并具有优良的环保性能．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=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）若要增大反应①中H₂的转化率，在其它条件不变的情况下可以采取的措施为BC．
A．加入某物质作催化剂  B．加入一定量CO
C．反应温度降低D．增大容器体积
（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）；若反应物的起始浓度分别为：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L；达到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，a=5.4mol/L．
（3）催化反应室中总反应3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.1kJ/mol；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“=”）．
（4）二甲醚燃烧热为1455kJ•mol^-1，则二甲醚燃烧的热化学方程式为CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol．
（5）“二甲醚燃料电池”是一种绿色电源，其工作原理如图所示．写出a电极上发生的电极反应式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）已知反应①是体积减小的放热反应，根据外界条件对平衡的影响分析；
（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）；
计算该温度下的平衡常数，根据平衡常数计算平衡时氢气的浓度，根据甲醇的平衡浓度计算氢气浓度的变化量，进而计算a的值；
（3）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；
（4）依据燃烧热概念含义是1mol甲醚完全燃烧生成稳定氧化物二氧化碳和液态水放出的热量为燃烧热，结合书写方法写出热化学方程式；
（5）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．

解答 解：（1）已知反应①是体积减小的放热反应，若要增大反应①中H₂的转化率，则需要使平衡正移，所以改变的条件为加入一定量CO或反应温度降低；
故答案为：BC；
（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）；
该温度到达平衡时，c（CO）=0.5mol/L，c（H₂）=2.4mol/L-2×0.5mol/L=1.4mol/L，c（CH₃OH）=0.5mol/L，所以该温度下，平衡常数k=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{25}{49}$，若反应物的起始浓度分别为：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L，达到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，则平衡时c′（CO）=4mol/L-2mol/L=2mol/L，令平衡时氢气的浓度为ymol/L，所以$\frac{2}{2×{y}^{2}}$=$\frac{25}{49}$解得y=1.4，故a=2mol/L×2+1.4mol/L=5.4mol/L．
故答案为：0.1mol/（L•min）；5.4．
（3）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，
催化反应室中温度低于830°C，反应是放热反应，降低温度平衡正向进行，平衡常数增大，K＞1.0，
故答案为：-246.1kJ/mol，＞；
（4）甲醚的燃烧热为1455kJ/mol，则燃烧方式的热化学方程式为：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol；
故答案为：CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₁=-1455kJ/mol；
（5）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，a极为负极，b为正极，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：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．

点评 本题考查热化学方程式书写，燃烧热概念，平衡移动，图象分析应用，原电池电极反应的书写方法，题目难度中等．