Question

【題目】化學在能源開發(fā)與利用中起著十分重要的作用。

（1）蘊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行的可燃冰采取試驗獲得成功，標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)定燃氣的國家。已知：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：

甲醇合成反應：（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：(iii)CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) △H3=-41.1kJ/mol

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

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

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

（3）二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優(yōu)點。若電解質為堿性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為____，一個二甲醚分子經(jīng)過電化學氧化，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，促進甲醇合成反應(i)平衡右移，CO轉化率增大；生成的H2O通過水煤氣變換反應(iii)消耗部分CO 2CO(g)+4H2(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-204.7kJ/mol 該反應分子數(shù)減小，壓強升高使平衡右移，CO和H2轉化率增大，CH3OCH3產(chǎn)率增加；壓強升高使CO和H2濃度增加，反應速率增大 CH3OCH3+16OH- -12e-=2CO32-+11H2O 12

【解析】分析：本題考查熱化學方程式的書寫和反應熱的計算、外界條件對化學平衡的影響、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)此寫出熱化學方程式；根據(jù)熱化學方程式計算反應放出的熱量。

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

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

（3）若電解質為堿性，二甲醚發(fā)生氧化反應生成CO32-，負極電極反應為CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O。1個二甲醚分子經(jīng)電化學氧化，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（iv）消耗CH3OH（g）同時生成H2O（g），由于CH3OH（g）濃度減小，促進甲醇合成反應（i）平衡右移，CO的轉化率增大；生成H2O（g）通過水煤氣變換反應（iii）消耗CO；二甲醚合成反應（iv）能增大CO的轉化率。

②應用蓋斯定律，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方程式為：2CO（g）+4H2（g）CH3OCH3（g）+H2O（g）ΔH=-204.7kJ/mol。該反應的正反應為氣體分子數(shù)減小的反應，增加壓強，平衡向正反應方向移動，CO和H2的轉化率增大，CH3OCH3的產(chǎn)率增加；增加壓強，CO和H2的濃度增大，直接合成二甲醚反應的反應速率加快。

（3）若電解質為堿性，在負極二甲醚發(fā)生氧化反應生成CO32-，負極反應可寫成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，結合原子守恒和電荷守恒，負極電極反應為CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O。1個二甲醚分子經(jīng)電化學氧化，可以產(chǎn)生12個電子的電量。