Question

11．二甲醚（CH₃OCH₃）在未来可能替代柴油和液化气作为洁净液体燃料使用，工业上以CO和H₂为原料生产CH₃OCH₃．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
（1）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）；
（2）反应②在t℃时的平衡常数为400，此温度下，在0.5L的密闭容器中加入一定量的甲醇，反应到某时刻测得各组分的物质的量浓度如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c（mol•L-1）	0.8	1.24	1.24

①此时刻v_正大于v_逆（填“大于”“小于”或“等于”）
②平衡时二甲醚的物质的量浓度是1.6mol/L．
（3）以二甲醚、空气、硫酸溶液为原料，以石墨为电极可直接构成燃料电池，则该电池的负极反应式为CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺；若以1.12L/min（标准状况）的速率向电池中通入二甲醚，用该电池电解500mL 2mol/LCuSO₄溶液，通电0.50min后，计算理论上可析出氧气的体积（标准状况）为1.68L．

Answer 1

分析 （1）由转化率可计算CO的浓度的变化，可计算出反应速率；
（2）①比较Qc与K的关系，若Qc＞K平衡左移，若Qc＜K平衡向右移若Qc=K达到平衡状态；
②列三段表示出平衡时各物质的浓度，利用平衡常数表达式求解；
（3）甲醚作为燃料电池的原料．甲醚在负极失电子发生氧化反应；甲醚燃料电池为原电池做电源电解硫酸铜溶液，阳极生成氧气，结合电子的物质的量计算．

解答 解：（1）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△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，
v=$\frac{0.5mol/L}{5min}$=0.1 mol/（L•min），故答案为：0.1 mol/（L•min）；
（2）①Qc=$\frac{C（C{H}_{3}OC{H}_{3}）C（{H}_{2}O）}{C（C{H}_{3O}H）^{2}}$=$\frac{1.24×1.24}{0.8×0.8}$=2.4  
K=400 
Qc＜K，
平衡向正方向反应V正＞V逆；
故答案为：大于；
②设生成的CH₃OCH₃ 的浓度 x
                        2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
 起始浓度（ mol/L）      0.8         1.24           1.24  
 转化浓度（ mol/L）       2x            x            x
平衡浓度（ mol/L）     0.8-2x        1.24+x       1.24+x
K=$\frac{（1.24+x）（1.24+x）}{（0.8-2x）（0.8-2x）}$=400         
x=0.36      
c（CH₃OCH₃（g））=1.24+0.36=1.6
故答案为：1.6mol/L；
（3）若用甲醚作为燃料电池的原料，甲醚在负极失电子反应氧化反应，在碱性介质中电池负极的电极反应式：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，
n（CH₃OCH₃）=1.12L/min×0.5min÷22.4L/mol=0.025mol，转移电子的物质的量为0.025mol×12=0.3mol，阳极发生4OH^--4e^-=O₂↑+2H₂O，可知生成氧气的物质的量为$\frac{0.3mol}{4}$，体积为$\frac{0.3mol}{4}$×22.4L=1.68L．
故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺；1.68L．

点评 本题综合考查化学平衡的计算，原电池与电解质知识，为高频考点，侧重于学生的分析能力和计算能力的考查，注意把握平衡常数的意义以及电解的原理，难度中等．