Question

4．二甲醚（CH₃OCH₃）是一種清潔、高效、具有優(yōu)良的環(huán)保性能的可燃物，被稱(chēng)為21世紀(jì)的新型能源．工業(yè)制備二甲醚的生產(chǎn)流程如下：
催化反應(yīng)室中（壓力2.0～10.0MPa，溫度300℃）進(jìn)行下列反應(yīng)：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
（1）催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）．該反應(yīng)的△H=-246.1kJ/mol．催化反應(yīng)室中采用300℃的反應(yīng)溫度，理由是保證催化劑的活性最大，提高化學(xué)反應(yīng)速率．
（2）已知：反應(yīng)①在300℃時(shí)的化學(xué)平衡常數(shù)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(shí)反應(yīng)將逆向進(jìn)行（填“正向進(jìn)行”、“逆向進(jìn)行”或“處于平衡狀態(tài)”）．
（3）上述流程中二甲醚精制的實(shí)驗(yàn)操作名稱(chēng)為蒸餾．
（4）如圖為綠色電源“二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖．該電池工作時(shí)，H⁺向正極移動(dòng)（填“正”或“負(fù)”）；a電極的電極反應(yīng)式為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律由已知的熱化學(xué)方程式乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減，來(lái)構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減；
反應(yīng)放熱，高溫不利用原料的利用，溫度低原料利用率高，但反應(yīng)較慢，不利于實(shí)際生產(chǎn)；
（2）計(jì)算濃度商Qc，Qc=k，處于平衡狀態(tài)；Qc＞k，向逆反應(yīng)進(jìn)行；Qc＜k，向正反應(yīng)進(jìn)行；
（3）分離沸點(diǎn)相差較大的互溶液體，常用方法是蒸餾；
（4）反應(yīng)本質(zhì)是二甲醚的燃燒，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極放電，正極反應(yīng)還原反應(yīng)，氧氣在正極放電，由圖可知，氫離子移向b電極，a極為負(fù)極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子．

解答 解：（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(yīng)放熱，高溫不利用原料的利用，溫度低原料利用率高，但反應(yīng)較慢，不利于實(shí)際生產(chǎn)，采用300℃的反應(yīng)溫度，目的（保證催化劑的活性最大），提高化學(xué)反應(yīng)速率，
故答案為：-246.1kJ/mol；保證催化劑的活性最大，提高化學(xué)反應(yīng)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(shí)c（CO）=1mol/L，c（H₂）=1.5mol/L，c（CH₃OH）=1mol/L，濃度商Qc=$\frac{1}{1×1．{5}^{2}}$=0.44，大于平衡常數(shù)0.27，故反應(yīng)向逆反應(yīng)進(jìn)行，
故答案為：逆向進(jìn)行；
（3）二甲醚、乙醇、水為互溶的液體，沸點(diǎn)不同，采取蒸餾的方法將二甲醚分離，
故答案為：蒸餾；
（4）反應(yīng)本質(zhì)是二甲醚的燃燒，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極放電，正極反應(yīng)還原反應(yīng)，氧氣在正極放電．由圖可知，氫離子移向b電極，b電極正極，a極為負(fù)極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子，a電極的電極反應(yīng)式為 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，
故答案為：正；CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題綜合性較大，涉及反應(yīng)熱、化學(xué)平衡、原電池、實(shí)驗(yàn)基本操作等，難度中等，（4）中電極反應(yīng)式書(shū)寫(xiě)是易錯(cuò)點(diǎn)，可以先寫(xiě)出正極電極反應(yīng)式，利用總反應(yīng)式減正極反應(yīng)式即為負(fù)極反應(yīng)式．