Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是一種清潔、高效、具有優良的環保性能的可燃物，被稱為21世紀的新型能源．工業制備二甲醚的生產流程如圖1：

催化反應室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度300℃）進行下列反應：
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）催化反應室中的總反應：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）．
該反應的△H=    ．催化反應室中采用300℃的反應溫度，理由是    ．
（2）已知：反應①在300℃時的化學平衡常數為0.27．該溫度下將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為2L的密閉容器中，此時反應將    （填“正向進行”、“逆向進行”或“處于平衡狀態”）．
（3）上述流程中二甲醚精制的實驗操作名稱為    ．
（4）圖2為綠色電源“二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖．a電極的電極反應式為    ．

Answer 1

【答案】分析：（1）根據蓋斯定律由已知的熱化學方程式乘以相應的數值進行加減，來構造目標熱化學方程式，反應熱也乘以相應的數值進行加減；
反應放熱，高溫不利用原料的利用，溫度低原料利用率高，但反應較慢，不利于實際生產；
（2）計算濃度商Qc，Qc=k，處于平衡狀態；Qc＞k，向逆反應進行；Qc＜k，向正反應進行；
（3）分離沸點相差較大的互溶液體，常用方法是蒸餾；
（4）反應本質是二甲醚的燃燒，原電池負極發生氧化反應，二甲醚在負極放電，正極反應還原反應，氧氣在正極放電．由圖可知，a極為負極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子．
解答：（1）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，
由蓋斯定律可知，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ/mol，
反應放熱，高溫不利用原料的利用，溫度低原料利用率高，但反應較慢，不利于實際生產，采用300℃的反應溫度，目的提高化學反應速率．
故答案為：-246.1kJ/mol；提高化學反應速率；
（2）該溫度下將2mol CO、3mol H₂和2mol CH₃OH充入容積為2L的密閉容器中，此時c（CO）=1mol/L，c（H₂）=1.5mol/L，c（CH₃OH）=1mol/L，濃度商Qc==0.44，大于平衡常數0.27，故反應向逆反應進行，故答案為：逆向進行；
（3）二甲醚、乙醇、水為互溶的液體，沸點不同，采取蒸餾的方法將二甲醚分離，故答案為：蒸餾；
（4）反應本質是二甲醚的燃燒，原電池負極發生氧化反應，二甲醚在負極放電，正極反應還原反應，氧氣在正極放電．由圖可知，a極為負極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子，a電極的電極反應式為 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
點評：本題綜合性較大，涉及反應熱、化學平衡、原電池、實驗基本操作等，難度中等，（4）中電極反應式書寫是易錯點，可以先寫出正極電極反應式，利用總反應式減正極反應式即為負極反應式．