Question

【題目】化學(xué)在能源開發(fā)與利用中起著十分重要的作用。

（1）蘊(yùn)藏在海底的可燃冰是高壓下形成的外觀像冰的甲烷水合物固體。2017年我國在南海北部進(jìn)行的可燃冰采取試驗獲得成功，標(biāo)志著我國成為第一個實現(xiàn)在海域可燃冰試開采中獲得連續(xù)穩(wěn)定燃?xì)獾膰�家。已�?/span>：25℃、101kPa下，1g甲烷完全燃燒生成CO2和液態(tài)水時放熱55.6kJ。甲烷燃燒的熱化學(xué)方程式為_____________。相同條件下，356g可燃冰(分子式為CH4·9H2O，Mr=178)釋放的甲烷氣體完全燃燒生成CO2和液態(tài)水，放出的熱量為_____kJ。

（2）二甲醚(CH3OCH3)是無色氣體，可作為一種新型能源，具有清潔、高效的優(yōu)良性能。由合成氣(組成為H2、CO和少量的CO2)直接制備二甲醚，其中的主要過程包括以下四個反應(yīng)：

甲醇合成反應(yīng)：（i）CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)△H1=-90.1kJ/mol

（ii）CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)△H2=-49.0kJ/mol

水煤氣變換反應(yīng)：(iii)CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) △H3=-41.1kJ/mol

二甲醚合成反應(yīng)：(iv)2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) △H4=-24.5kJ/mol

①分析二甲醚合成反應(yīng)(iv)對于CO轉(zhuǎn)化率的影響____________________。

②由H2和CO直接制備二甲醚(另一產(chǎn)物為水蒸氣)的熱化學(xué)方程式為：______________。根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分析增加壓強(qiáng)對直接制備二甲醚反應(yīng)的影響__________________________。

（3）二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優(yōu)點。若電解質(zhì)為堿性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為____，一個二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生______個電子的電量。

Answer 1

【答案】 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=-889.6kJ/mol 1779.2 消耗甲醇，促進(jìn)甲醇合成反應(yīng)(i)平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大；生成的H2O通過水煤氣變換反應(yīng)(iii)消耗部分CO 2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-204.7kJ/mol 該反應(yīng)分子數(shù)減小，壓強(qiáng)升高使平衡右移，CO和H2轉(zhuǎn)化率增大，CH3OCH3產(chǎn)率增加；壓強(qiáng)升高使CO和H2濃度增加，反應(yīng)速率增大 CH3OCH3+16OH- -12e-=2CO32-+11H2O 12

【解析】分析：本題考查熱化學(xué)方程式的書寫和反應(yīng)熱的計算、外界條件對化學(xué)平衡的影響、燃料電池的工作原理和計算。

（1）計算1molCH4燃燒生成CO2和液態(tài)水時放出的熱量，據(jù)此寫出熱化學(xué)方程式；根據(jù)熱化學(xué)方程式計算反應(yīng)放出的熱量。

（2）①二甲醚合成反應(yīng)（iv）消耗CH3OH（g）同時生成H2O（g），由于CH3OH（g）濃度減小，促進(jìn)甲醇合成反應(yīng)（i）平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大；生成H2O（g）通過水煤氣變換反應(yīng)（iii）消耗CO；二甲醚合成反應(yīng)（iv）能增大CO的轉(zhuǎn)化率。

②應(yīng)用蓋斯定律，將（i）2+（iv）得，H2和CO直接制備二甲醚的熱化學(xué)方程式。該反應(yīng)的正反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，增加壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動，增大壓強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)速率加快。

（3）若電解質(zhì)為堿性，二甲醚發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO32-，負(fù)極電極反應(yīng)為CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O。1個二甲醚分子經(jīng)電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生12個電子的電量。

詳解：（1）1gCH4完全燃燒生成CO2和液態(tài)水時放熱55.6kJ，1molCH4完全燃燒生成CO2和液態(tài)水時放熱55.616kJ=889.6kJ，CH4燃燒的熱化學(xué)方程式為：CH4（g）+2O2（g）=CO2（g）+2H2O（l）ΔH=-889.6kJ/mol。n（CH4·9H2O）==2mol，356g可燃冰釋放2molCH4，2molCH4完全燃燒生成CO2和液態(tài)水放出的熱量為889.6kJ2=1779.2kJ。

（2）①二甲醚合成反應(yīng)（iv）消耗CH3OH（g）同時生成H2O（g），由于CH3OH（g）濃度減小，促進(jìn)甲醇合成反應(yīng)（i）平衡右移，CO的轉(zhuǎn)化率增大；生成H2O（g）通過水煤氣變換反應(yīng)（iii）消耗CO；二甲醚合成反應(yīng)（iv）能增大CO的轉(zhuǎn)化率。

②應(yīng)用蓋斯定律，將（i）2+（iv）得，2CO（g）+4H2（g）CH3OCH3（g）+H2O（g）ΔH=（-90.1kJ/mol）2+（-24.5kJ/mol）=-204.7kJ/mol，H2和CO直接制備二甲醚的熱化學(xué)方程式為：2CO（g）+4H2（g）CH3OCH3（g）+H2O（g）ΔH=-204.7kJ/mol。該反應(yīng)的正反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，增加壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動，CO和H2的轉(zhuǎn)化率增大，CH3OCH3的產(chǎn)率增加；增加壓強(qiáng)，CO和H2的濃度增大，直接合成二甲醚反應(yīng)的反應(yīng)速率加快。

（3）若電解質(zhì)為堿性，在負(fù)極二甲醚發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO32-，負(fù)極反應(yīng)可寫成CH3OCH3-e-→CO32-+H2O，CH3OCH3中C元素的平均價態(tài)為-2價，CO32-中C元素的化合價為+4價，1個CH3OCH3失去12個電子，結(jié)合原子守恒和電荷守恒，負(fù)極電極反應(yīng)為CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O。1個二甲醚分子經(jīng)電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生12個電子的電量。