Question

10．二甲醚是一種重要的清潔燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對臭氧層無破壞作用．工業(yè)上可利用煤的氣化產物（水煤氣）合成二甲醚．請回答下列問題：
（1）煤的氣化的主要化學反應方程式為：C+H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂．
（2）利用水煤氣合成二甲醚的三步反應如下：
①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ•mol^-1
寫出水煤氣直接合成二甲醚同時生成CO₂的熱化學反應方程式3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），△H=-246.4 kJ•mol^-1．
（3）一定條件下的密閉容器中，該總反應達到平衡，要提高CO的轉化率，可以采取的措施是bce．
a．高溫低壓  　　　　　　b．低溫高壓
c．減少CO₂的濃度  　　　d．增加CO的濃度
e．分離出二甲醚 　　　　 f．加入催化劑
（4）已知反應②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）某溫度下的平衡常數(shù)為400．此溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/（mol•L-1）	0.44	0.6	0.6

比較此時正、逆反應速率的大�。簐_正＞v_逆（填“＞”、“＜”或“=”），若上述情況達到平衡，此時c（CH₃OH）=0.04 mol•L^-1．
（5）將CH₄設計成燃料電池，其裝置示意如圖（A、B為多孔性碳棒）持續(xù)通入甲烷，在標準狀況下，消耗甲烷體積VL．
①0＜V≤44.8L時，電池總反應方程式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②44.8L＜V≤89.6L時，負極電極反應為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
③V=67.2L時，溶液中陰離子濃度大小關系為c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）．

Answer 1

分析 （1）煤的氣化是利用煤與水蒸氣高溫條件小反應，生成CO和H₂的過程；
（2）利用蓋斯定律計算，通過①×2+②+③可得所求反應方程式，則△H=-90.8kJ/mol×2-23.5kJ/mol-41.3kJ/mol=-246.4kJ/mol；
（3）一定條件下的密閉容器中，該總反應達到平衡，要提高CO的轉化率，應使平衡向正反應方向移動，可減少CO₂的濃度或分離出二甲醚，由于反應放熱，升高溫度平衡向逆反應方向移動，轉化率減小，催化劑不影響平衡移動，而增加CO的濃度，CO的轉化率反而減�。�
（4）根據(jù)方程式計算平衡常數(shù)，然后利用三段式法解答；
（5）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；根據(jù)甲烷的量計算生成的二氧化碳的量，結合反應方程式判斷反應產物及發(fā)生的反應，由此分析解答．

解答 解：（1）煤的氣化是利用煤與水蒸氣高溫條件小反應，生成CO和H₂的過程：C+H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂，
故答案為：C+H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂；
（2）由蓋斯定律可知，通過①×2+②+③可得所求反應方程式，3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），△H=-90.8kJ/mol×2-23.5kJ/mol-41.3kJ/mol=-246.4kJ/mol，
故答案為：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），△H=-246.4 kJ•mol^-1；
（3）一定條件下的密閉容器中，該總反應達到平衡，要提高CO的轉化率，應使平衡向正反應方向移動，
ab可減少CO₂的濃度或分離出二甲醚，由于反應放熱，升高溫度平衡向逆反應方向移動，轉化率減小，催化劑不影響平衡移動，而增加CO的濃度，CO的轉化率反而減小，
a．反應是氣體體積減小的放熱反應，高溫低壓，平衡逆向進行，故a錯誤；　　　　　　
b．低溫高壓，平衡正向進行，一氧化碳轉化率增大，故b正確；
c．減少CO₂的濃度，平衡正向進行，一氧化碳轉化率增大，故c正確； 　　　
d．兩種反應物，增大一種會提高另一種的轉化率，增加CO的濃度CO的轉化率反而減小，故d錯誤；
e．分離出二甲醚，平衡正向進行，一氧化碳轉化率增大，故e正確 　　　　
f．加入催化劑改變反應速率，不改變化學平衡，一氧化碳轉化率不變，故f錯誤；
故選b、c、e，
故答案為bce；
（4）①該反應的平衡常數(shù)表達式為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，
將所給濃度帶入平衡常數(shù)表達式：$\frac{0.6×0.6}{0.4{4}^{2}}$=1.86＜400，故反應向正反應方向進行，正反應速率大于逆反應速率，
故答案為：＞；
②2CH₃OH（g）≒CH₃OCH₃（g）+H₂O（g） 某時刻濃度（mol•L^-1）：0.44 0.6 0.6
轉化濃度（mol•L^-1）：2x x x
平衡濃度（mol•L^-1）：0.44-2x 0.6+x 0.6+x
K=$\frac{（0.6+x）^{2}}{（0.44-2x）^{2}}$，解得x=0.2mol/L，
故平衡時c（CH₃OH）=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L，
故答案為：0.04 mol•L^-1；
（5）n（KOH）=2mol/L×2L=4mol，可能先后發(fā)生反應①CH₄+2O₂→CO₂+2H₂O、②CO₂+2KOH=K₂CO₃+H₂O、③K₂CO₃+CO₂+H₂O=2KHCO₃；
①當0＜V≤44.8 L時，0＜n（CH₄）≤2mol，則0＜n（CO₂）≤2mol，只發(fā)生反應①②，且KOH過量，則電池總反應式為CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O，
故答案為：CH₄+2O₂+2KOH=K₂CO₃+3H₂O；
②當44.8 L＜V≤89.6 L，2mol＜n（CH₄）≤4mol，則2mol＜n（CO₂）≤4mol，發(fā)生反應①②③，得到K₂CO₃和KHCO₃溶液，則負極反應式為CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-，故答案為：CH₄-8e^-+9CO₃^2-+3H₂O=10HCO₃^-；
③當V=67.2 L時，n（CH₄）=3mol，n（CO₂）=3mol，則電池總反應式為3CH₄+6O₂+4KOH=K₂CO₃+2KHCO₃+7H₂O，則得到1molK₂CO₃和2molKHCO₃的溶液，則c（K⁺）＞c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）＞c（H⁺），故答案為：c（HCO₃^-）＞c（CO₃^2-）＞c（OH^-）．

點評 本題考查較為綜合，通過計算書寫燃料電池的電極反應式、溶液中離子濃度大小關系等重要考點，題目難度中等，注意“始、轉、平”是解決有關化學平衡的“三段論”解題法，當三組量一旦確定，可以解答有關平衡的平衡常數(shù)計算、轉化率、反應速率、平衡時成分的體積分數(shù)等的關鍵．