Question

（14分）化學在能源開發與利用中起著十分重要的作用。
（1）蘊藏在海底的可燃冰是高壓下形成的外觀像冰的甲烷水合物固體．被稱之為“未來能源”。在25℃、101 kPa下，1g甲烷完全燃燒生成和液態水時放熱55.6 kJ。甲烷燃燒的熱化學方程式為 ______：相同條件下，356 g可燃冰（分子式為CH₄·9H₂O，Mr＝178）釋放的甲烷氣體完全燃燒生成CO₂和液態水，放出的熱量為_______kJ。
（2）二甲醚(CH₃OCH₃)是無色氣體，可作為一種新型能源，具有清潔、高效的優良性能。由合成氣(組成為H₂、CO和少量的CO₂)直接制各二甲醚，其中的主要過程包括以下四個反應：
甲醇合成反應：
（Ⅰ）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）  △H₁＝－90.1kJ?mol^-1
（Ⅱ）CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g） △H₂＝－49.0kJ?mol^-1
水煤氣變換反應：（Ⅲ）CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂ （g） △H₃＝－41.1kJ?mol^-1
二甲醚合成反應：（Ⅳ）2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄＝－24.5kJ?mol^-1
①分析二甲醚合成反應(iv)對于CO轉化率的影響___________________________________。
②由H₂和CO直接制備二甲醚（另一產物為水蒸氣）的熱化學方程式為：__________________。根據化學反應原理，分析增加壓強對直接制備二甲醚反應的影響_________________________________。
（3）二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優點。若電解質為堿性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為______________________，一個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生________電子的電量。

Answer 1

（1）2O₂（g）+CH₄（g）═CO₂（g）+H₂O（l） △H＝－889.6kJ/mol   1779.2
（2）①消耗甲醇，促進甲醇合成反應（Ⅰ）平衡右移，CO轉化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（Ⅲ）消耗部分CO
②2CO（g）+4H₂（g）＝CH₃OCH₃（g）+H₂O（g） △H＝－204.7kJ?mol^-1
該反應分子數減少，壓強升高使平衡右移，CO和H₂轉化率增大，CH₃OCH₃產率增加．壓強升高使CO和H₂濃度增加，反應速率增大
（3）CH₃OCH₃＋16OH^－－12e^－＝2CO₃^2－＋11H₂O；12

試題分析：（1）1g甲烷完全燃燒生成和液態水時放熱55.6 kJ，則16g甲烷即1mol甲烷完全燃燒生成和液態水時放熱55.6 kJ×16＝889.6kJ，因此甲烷燃燒的熱化學方程式為2O₂（g）+CH₄（g）═CO₂（g）+H₂O（l） △H＝－889.6kJ/mol。356 g可燃冰（分子式為CH₄·9H₂O，Mr＝178）中甲烷的質量是356g×＝32g，即含有2mol甲烷，所以釋放的甲烷氣體完全燃燒生成CO₂和液態水，放出的熱量為889.6kJ/mol×2mol＝1779.2kJ。
（2）①二甲醚合成反應（Ⅳ）對于CO轉化率的影響，消耗甲醇，促進甲醇合成反應（Ⅰ）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）平衡右移，CO轉化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（Ⅲ）CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂ （g）消耗部分CO，故答案為：消耗甲醇，促進甲醇合成反應（Ⅰ）平衡右移，CO轉化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（Ⅲ）消耗部分CO；
②Ⅰ、CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1、Ⅳ、2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1，依據蓋斯定律Ⅰ×2+Ⅳ得到：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g） △H＝－204.7kJ?mol^-1。該反應是氣體體積減小的反應，增加壓強平衡正向進行，反應速率增大，CO和H₂轉化率增大，CH₃OCH₃產率增加；故答案為：2CO（g）+4H₂（g）＝CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H＝－204.7kJ?mol^-1；該反應分子數減少，壓強升高使平衡右移，CO和H₂轉化率增大，CH₃OCH₃產率增加．壓強升高使CO和H₂濃度增加，反應速率增大；
（3）原電池中負極失去電子，則二甲醚在負極發生氧化反應。若電解質為堿性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為二甲醚失電子生成碳酸根，結合原子守恒和電荷守恒寫出電極反應為：CH₃OCH₃＋16OH^－－12e^－＝2CO₃^2－＋11H₂O； 根據負極電極反應式可知一個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生12個電子的電量。