Question

3．二甲醚（CH₃OCH₃）被称为21世界的新型燃料，在未来可能替代汽油、液化气、煤气等并具有优良的环保性能．工业制备二甲醚在催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度230～280℃）进行下列反应：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）若要增大反应①中H₂的转化率，在其它条件不变的情况下可以采取的措施为BC．
A．加入某物质作催化剂          B．加入一定量CO
C．反应温度降低              D．增大容器体积
（2）在某温度下，若反应①的起始浓度分别为：c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2.4mol/L，5min
后达到平衡，CO的转化率为50%，则5min内CO的平均反应速率为0.1mol/（L•min）；
若反应物的起始浓度分别为：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L；达到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，则a=5.4mol/L．
（3）催化反应室中总反应3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=-246.1kJ•mol^-1．
判断该反应易在低温（填“高温”或“低温”）下自发进行．
（4）“二甲醚燃料电池”是一种绿色电源，其工作原理如上图所示．b电极是正极，
写出a电极上发生的电极反应式CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）若要增大反应①中H₂的转化率，应改变条件使平衡正向移动，但不能只增大氢气的浓度，否则氢气转化率会降低；
（2）5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则CO浓度减小1mol/L×50%=0.5mol/L，则：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：1      2.4        0
变化（mol/L）：0.5    1          0.5
平衡（mol/L）：0.5   1.4        0.5
再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CO）；根据K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算平衡常数，表示出平衡时各组分浓度，再结合平衡常数计算a的值；
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①×2+②+③可得：3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）；
正反应为气体物质的量减小的反应，则正反应为熵减的反应，△H-T△S＜0反应自发进行；
（4）氢离子经过质子交换膜由左侧移向右侧，则a为负极，b为正极，负极发生还原反应，二甲醚在负极失去电子，生成二氧化碳与氢离子．

解答 解：（1）A．加入某物质作催化剂，可以加快反应速率，不影响平衡移动，H₂的转化率不变，故A错误；
B．加入一定量CO，平衡正向移动，H₂的转化率增大，故B正确；
C．正反应为放热反应，反应温度降低，平衡正向移动，H₂的转化率增大，故C正确；
D．增大容器体积，压强减小，平衡逆向移动，H₂的转化率减小．
故答案为：BC；
（2）5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则CO浓度减小1mol/L×50%=0.5mol/L，则：
            CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：1      2.4         0
变化（mol/L）：0.5     1      0.5
平衡（mol/L）：0.5    1.4    0.5
5min内CO的平均反应速率v（CO）=$\frac{0.5mol/L}{5min}$=0.1mol/（L．min），
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$
             CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）
起始（mol/L）：4      a          0
变化（mol/L）：2      4          2
平衡（mol/L）：2     a-4       2
则 $\frac{2}{2×（a-4）^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$，解得a=5.4，
故答案为：0.1mol/（L．min）；5.4；
（3）已知：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
根据盖斯定律，①×2+②+③可得：3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），
则△H=2×（-90.7kJ•mol^-1）-23.5mol^-1-41.2kJ•mol^-1=-246.1kJ•mol^-1，
正反应为气体物质的量减小的反应，则正反应为熵减的反应，△H-T△S＜0反应自发进行，故该反应易在 低温下自发进行，
故答案为：-246.1kJ•mol^-1；低温；
（4）氢离子经过质子交换膜由左侧移向右侧，则a为负极，b为正极，负极发生还原反应，二甲醚在负极失去电子，生成二氧化碳与氢离子，负极电极反应式为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，
故答案为：正；CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

点评 本题比较综合，涉及化学平衡影响因素、化学平衡有关计算、反应热计算、原电池原理等，熟练掌握基础知识并灵活应用，掌握化学平衡常数的应用，题目难度中等．