Question

13．碳和碳的化合物在生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用非常廣泛，“低碳生活”已成潮流，清潔能源的開發(fā)、煤的綜合利用等是實(shí)現(xiàn)“低碳生活”的重要途徑．試運(yùn)用所學(xué)知識(shí)，回答下列問(wèn)題：
（1）甲烷是一種重要的清潔燃料
①甲烷燃燒放出大量的熱，可直接作為能源用于人類的生產(chǎn)和生活．
已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
則表示甲烷燃燒熱的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890KJ．mol^-1；請(qǐng)從化學(xué)反應(yīng)的本質(zhì)解釋甲烷燃燒放出熱量的原因：化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量，而生產(chǎn)物化學(xué)鍵的形成要放出能量，當(dāng)化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量小于化學(xué)鍵的形成要放出能量．
②在甲烷燃料電池中，甲烷的化學(xué)能利用率大大提高．將兩個(gè)石墨電極插入KOH溶液中，向兩極分別通入CH₄和O₂，其負(fù)極電極反應(yīng)式是：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O．
（2）二甲醚也是一種重要的清潔燃料，工業(yè)上可利用煤的氣化產(chǎn)物（水煤氣）合成二甲醚．
①利用水煤氣合成二甲醚的熱化學(xué)方程式為：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-274kJ/mol
該反應(yīng)在一定條件下的密閉容器中達(dá)到平衡后，為同時(shí)提高反應(yīng)速率和二甲醚的產(chǎn)率，可以采取的措施是bd  （填字母代號(hào)）．
a．降低溫度  b．縮小容器體積  c．加入催化劑
d．增加H₂的濃度     e．分離出二甲醚
②二甲醚也可以通過(guò)CH₃OH分子間脫水制得
2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
已知在280℃，體積不變的密閉容器中進(jìn)行上述反應(yīng)，t2時(shí)達(dá)到平衡，各組分起始和平衡濃度見(jiàn)下表．

	CH3OH（g）	CH3OCH3（g）	H2O（g）
起始濃度 mol/L	2.00	0.50	0
平衡濃度 mol/L	c1	1.00	c2

①表中c₁=1．
在t₂min內(nèi)平均反應(yīng)速率v（H₂O）=$\frac{1}{2{t}_{2}}$mol/（L．min）．
②若在400℃，相同的密閉容器中進(jìn)行上述反應(yīng)，請(qǐng)?jiān)谙聢D中畫出CH₃OCH₃濃度隨時(shí)間變化的關(guān)系圖（要求同時(shí)畫出280℃的，并做好標(biāo)注）．

Answer 1

分析 （1）①已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，（①+②）×$\frac{1}{2}$可得：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），反應(yīng)熱也進(jìn)行相應(yīng)計(jì)算；
化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量，而生產(chǎn)物化學(xué)鍵的形成要放出能量，當(dāng)化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量小于化學(xué)鍵的形成要放出能量；
②負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極上失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水；
（2）①a．降低溫度反應(yīng)速率減慢；
b．縮小容器體積，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率加快，平衡向氣體體積減小的方向移動(dòng)；
c．加入催化劑不影響平衡移動(dòng)；
d．增加H₂的濃度，反應(yīng)速率加快，平衡正向移動(dòng)；
e．分離出二甲醚，反應(yīng)速率減慢；
②．①平衡時(shí)甲醚濃度變化量為1mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，由方程式可知甲醇的濃度變化量為1mol/L，水的濃度變化量為0.5mol/L，甲醇的平衡濃度=甲醇起始濃度-濃度變化量，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂O）；
②升高溫度反應(yīng)速率加快，到達(dá)平衡的水解縮短，開始階段反應(yīng)速率高于280℃，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，平衡時(shí)甲醚的濃度小于1mol/L，

解答 解：（1）①已知：①2CH₄（g）+3O₂（g）=2CO（g）+4H₂O（l）△H₁=-1214kJ/mol
②2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₂=-566kJ/mol
根據(jù)蓋斯定律，（①+②）×$\frac{1}{2}$可得：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l），故熱化學(xué)方程式為：
CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890KJ．mol^-1，
化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量，而生產(chǎn)物化學(xué)鍵的形成要放出能量，當(dāng)化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量小于化學(xué)鍵的形成要放出能量，
故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁=-890KJ．mol^-1；化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中，反應(yīng)物化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量，而生產(chǎn)物化學(xué)鍵的形成要放出能量，當(dāng)化學(xué)鍵的破壞需要吸收能量小于化學(xué)鍵的形成要放出能量；
②負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，甲烷在負(fù)極上失去電子，堿性條件下生成碳酸根離子與水，負(fù)極電極反應(yīng)式為：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O，
故答案為：CH₄-8e^-+10 OH^-=CO₃^2-+7H₂O；
（2）①a．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度平衡逆向移動(dòng)，二甲醚的產(chǎn)率降低，降低溫度反應(yīng)速率減慢，故a錯(cuò)誤；
b．縮小容器體積，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率加快，平衡向正向移動(dòng)，二甲醚的產(chǎn)率增大，故b正確；
c．加入催化劑加快反應(yīng)速率，但不影響平衡移動(dòng)，二甲醚的產(chǎn)率不變，故c錯(cuò)誤；
d．增加H₂的濃度，反應(yīng)速率加快，平衡正向移動(dòng)，二甲醚的產(chǎn)率增大，故d正確；
e．分離出二甲醚，平衡正向移動(dòng)，二甲醚的產(chǎn)率增大，但反應(yīng)速率減慢，故e錯(cuò)誤，
故選：bd；
②．①平衡時(shí)甲醚濃度變化量為1mol/L-0.5mol/L=0.5mol/L，
             2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始量（mol/L）：2           0.5         0
變化量（mol/L）：1           0.5         0.5
平衡量（mol/L）：1           1           0.5
則表中c₁=1mol/L，在t₂min內(nèi)平均反應(yīng)速率v（H₂O）=$\frac{0.5mol/L}{{t}_{2}min}$=$\frac{1}{2{t}_{2}}$mol/（L．min），
故答案為：1；$\frac{1}{2{t}_{2}}$mol/（L．min）；
②升高溫度反應(yīng)速率加快，到達(dá)平衡的水解縮短，開始階段反應(yīng)速率高于280℃，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，平衡時(shí)甲醚的濃度小于1mol/L，
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1，溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快，達(dá)到平衡的時(shí)間小于t₂，平衡逆向移動(dòng)，達(dá)到平衡時(shí)，CH₃OCH₃濃度小于1.00mol/L，CH₃OCH₃濃度隨時(shí)問(wèn)變化的關(guān)系圖為，
故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算及影響因素、熱化學(xué)方程式書寫、原電池等，較好的考查學(xué)生分析解決問(wèn)題的能力，難度中等．