Question

3．甲醇是基本有机原料之一，可用于燃料电池、制取MTBE等有机产品．

（1）一种“直接甲醇燃料电池”结构如图1所示，电解质为强酸溶液，该燃料电池负极的电极反应式为CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺．
（2）水煤气法制取甲醇的反应其反应的焓变、平衡常数如下：
CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1平衡常数K₁
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1平衡常数K₂
2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃      平衡常数K₃
△H₃=-251kJ•mol^-1 （填数值）；相同温度下K₃=K₁²•K₂²（用含K₁、K₂代数式表示）．
（3）二氧化碳加氢也可合成甲醇[CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）]，在10.0L的密闭容器中投入1molCO₂和2.75molH₂，在不同条件下发生反应，实验测得平衡时甲醇的物质的量随温度、压强变化如图2所示．
①图中二氧化碳合成甲醇正反应为放热反应（选填：“放热”或“吸热”）．
②图中压强P₁＞P₂（选填：“＞”或“＜”）．
③在图中“M”点，平衡常数K=1.04（填数值，保留2位小数）．
（4）甲醇与醇ROH在浓硫酸及加热条件下可制备汽油抗爆震剂 MTBE．已知MTBE的分子式为C₅H₁₂O，其核磁共振氢谱如图3所示．
①ROH的名称为2-甲基-2-丙醇．
②写出制备MTBE的化学方程式：CH₃OH+（CH₃）₃COH$→_{△}^{浓硫酸}$CH₃OC（CH₃）₃+H₂O．

Answer 1

分析 （1）负极发生反应，甲醇在负极失去电子，酸性条件下生成二氧化碳，根据电荷守恒有氢离子生成；
（2）已知：①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1，
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，
③2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃，
盖斯定律，可知①×2+②×2=③，故反应热也进行相应计算，方程式相加时总平衡常数等于分方程的平衡常数之积；
（3）①由图可知，压强一定时，温度越高，CH₃OH的物质的量越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动；
②正反应为气体体积减小的反应，温度一定时，增大压强，平衡向正反应方向移动，甲醇的物质的量增大；
③M点甲醇物质的量为0.25mol，计算平衡时各组分物质的量浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$计算；
（4）甲醇与醇ROH在浓硫酸及加热条件下制备汽油抗爆震剂 MTBE，MTBE的分子式为C₅H₁₂O，醇ROH为丁醇，MTBE核磁共振氢谱有2个吸收峰，则醇ROH有2种H原子，醇ROH结构简式为（CH₃）₃COH．

解答 解：（1）负极发生反应，甲醇在负极失去电子，酸性条件下生成二氧化碳，根据电荷守恒有氢离子生成，负极电极反应式为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺，
故答案为：CH₃OH+H₂O-6e^-=CO₂+6H⁺；
（2）已知：①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1，
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1，
③2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃，
盖斯定律，可知①×2+②×2=③，故△H₃=2△H₁+2△H₂=2×（-35.4kJ•mol^-1-90.1kJ•mol^-1）=-251kJ•mol^-1，则总方程的平衡常数等于分方程的平衡常数之积，则平衡常数K₃=K₁²•K₂²，
故答案为：-251；K₁²•K₂²；
（3）①由图可知，压强一定时，温度越高，CH₃OH的物质的量越小，说明升高温度平衡向逆反应方向移动，则正反应为放热反应，故答案为：放热；
②正反应为气体体积减小的反应，温度一定时，增大压强，平衡向正反应方向移动，甲醇的物质的量增大，故压强P₁＞P₂，故答案为：＞；
③M点甲醇物质的量为0.25mol，则：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
开始（mol）：1        2.75      0         0
转化（mol）：0.25     0.75      0.25      0.25
平衡（mol）：0.75     2         0.25      0.25
容器体积为10L，则平衡时CO₂、H₂、CH₃OH、H₂O（g）浓度分别为0.075mol/L、0.2mol/L、0.025mol、L、0.025mol/L，故K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.025×0.025}{0.075×0．{2}^{3}}$=1.04，故答案为：1.04；
（4）甲醇与醇ROH在浓硫酸及加热条件下制备汽油抗爆震剂 MTBE，MTBE的分子式为C₅H₁₂O，醇ROH为丁醇，MTBE核磁共振氢谱有2个吸收峰，则醇ROH有2种H原子，醇ROH结构简式为（CH₃）₃COH．
①ROH的名称为：2-甲基-2-丙醇，故答案为：2-甲基-2-丙醇；
②制备MTBE的化学方程式：CH₃OH+（CH₃）₃COH$→_{△}^{浓硫酸}$CH₃OC（CH₃）₃+H₂O，故答案为：CH₃OH+（CH₃）₃COH$→_{△}^{浓硫酸}$CH₃OC（CH₃）₃+H₂O．

点评 本题属于拼合型题目，涉及原电池、反应热计算、化学平衡常数、化学平衡影响因素、有机物推断等，是对学生综合能力的考查，需要学生具备扎实的基础，难度中等．