Question

10．二甲醚（CH₃OCH₃）被稱(chēng)為21世界的新型燃料，在未來(lái)可能替代汽油、液化氣、煤氣等并具有優(yōu)良的環(huán)保性能．工業(yè)制備二甲醚在催化反應(yīng)室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）進(jìn)行下列反應(yīng)：
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）若要增大反應(yīng)①中H₂的轉(zhuǎn)化率，在其它條件不變的情況下可以采取的措施為BC．
A．加入某物質(zhì)作催化劑          B．加入一定量CO
C．反應(yīng)溫度降低                D．增大容器體積
（2）在某溫度下，若反應(yīng)①的起始濃度分別為：c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2.4mol/L，5min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則5min內(nèi)CO的平均反應(yīng)速率為0.1mol/（L．min）；
若反應(yīng)物的起始濃度分別為：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L；達(dá)到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，則a=5.4mol/L．
（3）催化反應(yīng)室中總反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.1kJ•mol^-1．判斷該反應(yīng)易在低溫（填“高溫”或“低溫”）下自發(fā)進(jìn)行．
（4）“二甲醚燃料電池”是一種綠色電源，其工作原理如上圖所示．b電極是正極，寫(xiě)出a電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）若要增大反應(yīng)①中H₂的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)改變條件使平衡正向移動(dòng)，但不能只增大氫氣的濃度，否則氫氣轉(zhuǎn)化率會(huì)降低；
（2）5min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則CO濃度減小1mol/L×50%=0.5mol/L，則：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：1      2.4        0
變化（mol/L）：0.5    1          0.5
平衡（mol/L）：0.5   1.4        0.5
再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CO）；根據(jù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計(jì)算平衡常數(shù)，表示出平衡時(shí)各組分濃度，再結(jié)合平衡常數(shù)計(jì)算a的值；
（3）已知：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
根據(jù)蓋斯定律，①×2+②+③可得：3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）；
正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，則正反應(yīng)為熵減的反應(yīng)，△H-T△S＜0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行；
（4）氫離子經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜由左側(cè)移向右側(cè)，則a為負(fù)極，b為正極，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極失去電子，生成二氧化碳與氫離子．

解答 解：（1）A．加入某物質(zhì)作催化劑，可以加快反應(yīng)速率，不影響平衡移動(dòng)，H₂的轉(zhuǎn)化率不變，故A錯(cuò)誤；
B．加入一定量CO，平衡正向移動(dòng)，H₂的轉(zhuǎn)化率增大，故B正確；
C．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，反應(yīng)溫度降低，平衡正向移動(dòng)，H₂的轉(zhuǎn)化率增大，故C正確；
D．增大容器體積，壓強(qiáng)減小，平衡逆向移動(dòng)，H₂的轉(zhuǎn)化率減小．
故答案為：BC；
（2）5min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則CO濃度減小1mol/L×50%=0.5mol/L，則：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：1      2.4         0
變化（mol/L）：0.5     1      0.5
平衡（mol/L）：0.5    1.4    0.5
5min內(nèi)CO的平均反應(yīng)速率v（CO）=$\frac{0.5mol/L}{5min}$=0.1mol/（L．min），
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$
           CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：4      a          0
變化（mol/L）：2      4          2
平衡（mol/L）：2     a-4       2
則$\frac{2}{2×（a-4）^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$，解得a=5.4，
故答案為：0.1mol/（L．min）；5.4；
（3）已知：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
根據(jù)蓋斯定律，①×2+②+③可得：3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），
則△H=2×（-90.7kJ•mol^-1）-23.5mol^-1-41.2kJ•mol^-1=-246.1kJ•mol^-1，
正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，則正反應(yīng)為熵減的反應(yīng)，△H-T△S＜0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故該反應(yīng)易在 低溫下自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：-246.1kJ•mol^-1；低溫；
（4）氫離子經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜由左側(cè)移向右側(cè)，則a為負(fù)極，b為正極，負(fù)極發(fā)生還原反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極失去電子，生成二氧化碳與氫離子，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案為：正；CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題比較綜合，涉及化學(xué)平衡影響因素、化學(xué)平衡有關(guān)計(jì)算、反應(yīng)熱計(jì)算、原電池原理等，熟練掌握基礎(chǔ)知識(shí)并靈活應(yīng)用，掌握化學(xué)平衡常數(shù)的應(yīng)用．