Question

【題目】二甲醚(CH3OCH3)被稱為21世紀(jì)的新型能源，它清潔、高效、具有優(yōu)良的環(huán)保性能。

Ⅰ.工業(yè)制備二甲醚的生產(chǎn)流程如下：

催化反應(yīng)室中(壓強(qiáng)2.0～10.0 MPa，溫度230～280℃)進(jìn)行下列反應(yīng)：

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=－90.7 kJ/mol ①

2CH3OH(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH=－23.5 kJ/mol ②

CO(g)+H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH=－41.2 kJ/mol ③

(1)甲烷氧化可制得合成氣，反應(yīng)如下：CH4(g)+O2(g)CO(g)+2H2(g) ΔH=－35.6 kJ/mol。該反應(yīng)是____________反應(yīng)(填“自發(fā)”或“非自發(fā)”)。

(2)催化反應(yīng)室中總反應(yīng)3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)的ΔH＝ _____________。該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：_______；在830℃時(shí)K＝1.0，則在催化反應(yīng)室中該反應(yīng)的K______1.0(填“>”、“<”或“＝”)。

(3)上述反應(yīng)中，可以循環(huán)使用的物質(zhì)有__________。

Ⅱ.如圖為綠色電源“二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖。

a電極是________極，其電極反應(yīng)方程式為_________________。

Answer 1

【答案】自發(fā) －246.1 kJ/mol > CO、H2、甲醇和水 負(fù) CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+

【解析】

Ⅰ.(1)依據(jù)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)為△H-T△S＜0，是自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)；△H-T△S＞0，是非自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)；

(2)依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到熱化學(xué)方程式；根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)的含義可得其表達(dá)式；催化反應(yīng)室內(nèi)的反應(yīng)條件是壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃；結(jié)合影響化學(xué)平衡的因素分析判斷；

(3)依據(jù)反應(yīng)過程中的中間產(chǎn)物是可以循環(huán)利用的物質(zhì)；

Ⅱ.反應(yīng)本質(zhì)是二甲醚的燃燒，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極放電，O2在正極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣在正極放電，由圖中H+的移動(dòng)方向知，a極為負(fù)極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子。

I．(1)甲烷氧化可制合成氣：CH4(g)+O2(g)CO(g)+2H2(g)，△S＞0，△H＜0，△H-T△S＜0，因此反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行；

(2)催化反應(yīng)室中(壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃)進(jìn)行下列反應(yīng)：

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=－90.7 kJ/mol

②2CH3OH(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH=－23.5 kJ/mol

③CO(g)+H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH=－41.2 kJ/mol

依據(jù)蓋斯定律①×2+②+③得到：3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)ΔH=-246.1kJ/mol；由于化學(xué)平衡常數(shù)是可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，各種生成物濃度冪之積與各種反應(yīng)物濃度冪之積的比，則該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為K=；

在830℃時(shí)反應(yīng)的K=1.0，在催化反應(yīng)室中，壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃，溫度降低，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，因此反應(yīng)的K增大；

(3)依據(jù)催化反應(yīng)室中(壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃)進(jìn)行下列反應(yīng)，

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH=－90.7 kJ/mol

②2CH3OH(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH=－23.5 kJ/mol

③CO(g)+H2O(g) CO2(g)＋H2(g) ΔH=－41.2 kJ/mol

甲醇和水是中間產(chǎn)物，結(jié)合生產(chǎn)流程，CO、H2也可以部分循環(huán)，故可以循環(huán)利用的物質(zhì)CO、H2、甲醇和水。

II.在該燃燒電池中，根據(jù)H+的移動(dòng)方向可知，通入二甲醚的a電極為負(fù)極，二甲醚在負(fù)極失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)，電極反應(yīng)式為：CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+。