Question

二甲醚（CH₃OCH₃）被称为21世纪的新型能源，是一种高效、清洁能源．
Ⅰ．工业制备二甲醚的生产流程如下：
催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度230～280℃）发生如下反应：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol
（1）二甲醚也可以通过天然气和CO₂合成制得，该反应的化学方程式为______．
（2）催化反应室中总反应3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=______，830℃时反应③的K=1.0，则在催化反应室中反应③的K______1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）在温度相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒压，发生反应②，测得反应达到平衡时的有关数据如下．

容器	甲	乙	丙
反应物投入量	1mol CH3OCH3、1mol H2O	2mol CH3OH	1mol CH3OH
CH3OH的浓度（mol/L）	c1	c2	c3
反应的能量变化	吸收a kJ	放出b kJ	放出c kJ
平衡时体积（L）	V1	V2	V3
反应物转化率	α 1	α 2	α 3

下列说法正确的是______．（填字母序号）
A．a+2c=23.5        B．α₁+α₂=1        C．V₁＞V₃       D．c₁=2c₃
（4）上述生产流程中，可以循环使用的物质有______．
Ⅱ．用二甲醚-空气碱性（KOH）燃料电池作电源电解精炼粗铜（如图），在接通电路一段时间纯Cu质量增加3.2g．

（5）请写出燃料电池中的负极反应式：______．
（6）燃料电池正极消耗标准状况下空气的体积是______（空气中O₂体积分数以20%计算）．

Answer 1

【答案】分析：（1）根据题意，可以通过天然气和CO₂合成二甲醚（CH₃OCH₃），写出反应的化学方程式即可；
（2）根据盖斯定律结合已知反应来书写热化学方程式；对于放热反应，温度越低，K越大；
（3）恒温恒压下，甲、乙、丙到达平衡为等效平衡，对应各组分的含量完全相同、浓度相同，其中甲、乙对应各组分的物质的量相等，容器的体积相同，乙、丙转化率相同，乙中物质的量为丙中对应各组分的2倍，据此结合选项计算判断；
（4）根据实际流程确定可以循环使用的物质；
（5）燃料电池中，负极上是燃料发生失电子的氧化反应；
（6）燃料电池正极是氧气发生得电子的还原反应，根据氧气和空气之间的组成关系来回答．
解答：解：（1）通过天然气和CO₂合成二甲醚（CH₃OCH₃），得出反应的化学方程式3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃，故答案为：3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃；
（2）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ/mol
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ/mol，反应3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）可以根据①×3-③×3+②得到，得出此反应的△H=-246.1kJ/mol，反应③是放热反应，对于放热反应，温度越低，K越大，所以大于1，故答案为：-246.1kJ/mol；＞；
（3）A．恒温恒压下，甲、丙为等效平衡，对应各组分的含量完全相同、浓度相同，令平衡时甲中甲醚为nmol，则丙中甲醚为0.5nmol，甲中吸收的热量为（1-n）×23.5kJ=akJ，丙中放出的热量为0.5n×23.5kJ=ckJ，整理得a+2c=23.5，故A正确；
B．恒温恒压下，甲、乙到达平衡为等效平衡，对应各组分的含量完全相同，对应各组分的物质的量相等，令甲醚的转化率为α₁，则平衡时甲醚的物质的量为（1-α₁）mol，乙中平衡时甲醚的物质的量为2α₂mol×=α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故B正确；
C．甲容器投入的起始量和乙投入的起始量相当，乙容器反应物投入2molCH₃OH、丙容器反应物投入1molCH₃OH在保持恒温、恒压情况下是等效平衡，应存在V₁=V₂=2V₃，故C正确；
D．恒温恒压下，甲、乙、丙到达平衡为等效平衡，对应各组分的含量完全相同、浓度相同，c₁=c₃，故D错误；
故选A、B、C；
（4）上述生产流程中，甲醇和水、CO和H₂是可以循环使用的物质，故答案为：甲醇和水、CO和H₂；
（5）燃料电池中，负极上是燃料甲醚发生失电子的氧化反应，在碱性环境下，发生的反应为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（6）燃料电池正极上发生的电极反应为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，纯Cu是阴极，该极上析出金属铜，当质量增加3.2g，转移电子为0.1mol，此时正极上消耗氧气的物质的量是0.025mol，所以需要空气的体积是0.025mol×5×22.4L/mol=2.8L，故答案为：2.8L．
点评：本题涉化学反应原理中的热化学、电化学以及化学平衡知识有关的综合考查题，要求学生具有分析和解决问题的能力，难度大．