Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是無色氣體，可作為一種新型能源，由合成氣（組成為H₂、CO、和少量CO₂）直接制備二甲醚，其中主要過程包括以下四個反應（均為可逆反應）：
①CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1
②CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₂=-49.0kJ?mol^-1
水煤氣變換反應 ③CO（g）+H₂O（g）=CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.1kJ?mol^-1
二甲醚合成反應 ④2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1
（1）由H₂和CO直接制備二甲醚（另一產(chǎn)物為水蒸氣）的熱化學方程式為

 

．
（2）一定溫度下，在恒容密閉容器中進行反應①，下列描述能說明反應到達平衡狀態(tài)的是

 

．
a．容器中氣體平均相對分子質(zhì)量保持不變      b．容器中氣體密度保持不變
c．CH₃OH（g）濃度保持不變                d．CH₃OH（g）的消耗速率等于H₂（g）的消耗速率
（3）一定溫度下，將8mol CH₃OH（g）充入5L密閉容器中進行反應④，一段時間后到達平衡狀態(tài)，反應過程中共放出49kJ熱量，則CH₃OH（g）的平衡轉(zhuǎn)化率為

 

，該溫度下，平衡常數(shù)K=

 

；該溫度下，向容器中再充入2mol CH₃OH（g），對再次達到的平衡狀態(tài)的判斷正確的是

 

．
a．CH₃OH（g）的平衡轉(zhuǎn)化率減小        b．CH₃OCH₃（g）的體積分數(shù)增大
c．H₂O（g）濃度為0.5mol?L^-1         d．容器中的壓強變?yōu)樵瓉淼?.25倍
（4）二甲醚-氧氣燃料電池具有啟動快，效率高等優(yōu)點，其能量密度高于甲醇燃料電池，若電解質(zhì)為酸性，二甲醚-氧氣燃料電池的負極反應為

 

；消耗2.8L（標準狀況）氧氣時，理論上流經(jīng)外電路的電子

 

mol．

Answer 1

考點：用蓋斯定律進行有關反應熱的計算,化學電源新型電池,化學平衡狀態(tài)的判斷,化學平衡的計算

專題：化學反應中的能量變化,化學平衡專題,電化學專題

分析：（1）依據(jù)熱化學方程式和蓋斯定律計算得到；
（2）達到化學平衡時，正逆反應速率相等，各個組分的濃度不隨著時間的變化而變化，根據(jù)化學平衡的特征，由此衍生出的一系列物理量都不變，據(jù)此來判斷；
（3）根據(jù)放出49kJ熱量結(jié)合熱化學方程式求解CH₃OH（g）的平衡轉(zhuǎn)化率，平衡常數(shù)等于生成物濃度冪之積與反應物濃度冪之積的比；根據(jù)平衡移動的影響判斷移動方向，反應達到平衡時，正逆反應速率相等，各物質(zhì)的濃度不再發(fā)生改變，由此衍生的一些物理量也不再發(fā)生變化；
（4）燃料電池中燃料在負極上失電子發(fā)生氧化反應，書寫電極反應，計算電子轉(zhuǎn)移數(shù)．

解答： 解：（1）①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1
④2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1
依據(jù)蓋斯定律①×2+④得到：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1；
故答案為：2CO（g）+4H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1；
（2）CO（g）+2H₂（g）=CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1
a．由于該反應是體積減小的反應，在反應到達平衡的過程中，容器中氣體平均相對分子質(zhì)量保持不變，能判斷反應是否處于平衡狀態(tài)，故a正確；
b．由于該反應在恒容條件下進行，反應前后氣體的質(zhì)量不變，容器的體積不變，所以密度也守恒，容器中氣體密度保持不變，不能判斷反應是否處于平衡狀態(tài)，故b錯誤；
c．反應到達平衡狀態(tài)時，正逆反應速率相等，平衡時各物質(zhì)的濃度、百分含量不變，CH₃OH（g）濃度保持不變，能判斷反應是否處于平衡狀態(tài)，故c正確；
d．CH₃OH（g）的消耗速率為逆反應，H₂（g）的消耗速率為正反應，兩者相等，不能說明正逆反應速率相等，當CH₃OH（g）的消耗速率與H₂（g）的消耗速率比為1：2時正逆反應速率相等，故d錯誤；
故選ac；
（3）2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1，2mol甲醇反應放出24.5KJ的熱量，反應過程中共放出49kJ熱量，說明將8mol CH₃OH（g）充入5L密閉容器中進行反應，有4mol甲醇已經(jīng)轉(zhuǎn)化，所以轉(zhuǎn)化率為

4

8

×100%=50%，
    2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始：1.6mol/L        0               0
轉(zhuǎn)化：0.8mol/L      0.4mol/L         0.4mol/L
平衡：0.8mol/L      0.4mol/L         0.4mol/L
化學平衡常數(shù)為生成物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應物濃度系數(shù)次冪乘積的比值，
則化學平衡常數(shù)為K=

0.4mol/L×0.4mol/L

(0.8mol/L)2

=0.25；
該溫度下，向容器中再充入2mol CH₃OH（g），反應物濃度增大，平衡向正反應方向移動，溫度不變，平衡常數(shù)不變，設甲醇轉(zhuǎn)化了Xmol/L，則
    2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始：2mol/L           0               0
轉(zhuǎn)化：xmol/L           

1

2

xmol/L         

1

2

xmol/L
平衡：（2-x）mol/L      

1

2

xmol/L         

1

2

xmol/L    

1 2 x× 1 2 x

(2-x)2

=0.25，解得：x=1，
a．CH₃OH（g）的平衡轉(zhuǎn)化率

1mol/L

2mol/L

×100%=50%不變，故a錯誤；       
b．CH₃OH（g）的平衡轉(zhuǎn)化率不變，CH₃OCH₃（g）的體積分數(shù)也不變，故b錯誤；
c．H₂O（g）濃度為

1

2

xmol/L=0.5mol?L^-1，故c正確；      
d．容器中的壓強比為物質(zhì)的量比，所以變?yōu)樵瓉淼?span id="wqeb2w7" class="MathJye" mathtag="math" style="whiteSpace:nowrap;wordSpacing:normal;wordWrap:normal">

(1mol/L+0.5mol/L+0.5mol/L)×5L

(0.8mol/L+0.4mol/L+0.4mol/L)×5L

=1.25倍，故d正確；
故答案為：50%；0.25；cd；
（4）若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為二甲醚失電子生成二氧化碳，結(jié)合原子守恒和電荷守恒寫出電極反應為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺； 電解質(zhì)為酸性，氧氣在正極發(fā)生還原反應，O₂+4H⁺+4e^-=2H₂O，消耗2.8L（標準狀況）氧氣時，理論上流經(jīng)外電路的電子為

2.8L

22.4L/mol

×4=0.5mol，
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；0.5．

點評：本題考查了熱化學方程式和蓋斯定律的應用、化學平衡移動原理的分析判斷、原電池原理分析和電極書寫，掌握基礎是關鍵，注意（3）三段式的求解，注意（4）電極反應式的書寫，題目難度中等．