Question

3．DME（二甲醚、CH₃OCH₃）是一種重要的清潔能源，可作為柴油的理想替代燃料和民用燃料，被譽(yù)為“二十一世紀(jì)的新能源”．另外，二甲醚還被廣泛用作致冷劑、氣霧劑以及有機(jī)化工中間體．
（1）工業(yè)上一步法制二甲醚的生產(chǎn)流程如下：

在一定的溫度（230-280℃）、壓強(qiáng)（2-10MPa）和催化劑作用下，反應(yīng)器中進(jìn)行下列一些反應(yīng)：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.7kJ•mol^-1
2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.2kJ•mol^-1
①反應(yīng)器中總反應(yīng)式可表示為：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），則該反應(yīng)的△H=：-246.1kJ/mol．
②在生產(chǎn)過(guò)程中反應(yīng)器必須要進(jìn)行換熱，以保證反應(yīng)器的溫度控制在230-280⁰C，其原因是因?yàn)檫@些反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)溫度必升高．而溫度升高，化學(xué)平衡向左移動(dòng)，同時(shí)，溫度不斷升高，催化劑的活性將降低，均不利于二甲醚的合成．
（2）CO₂是大氣中含量最高的一種溫室氣體，控制和治理CO₂是解決溫室效應(yīng)的有效途徑．目前，由CO₂來(lái)合成二甲醚已取得了較大的進(jìn)展，其化學(xué)反應(yīng)是：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0．判斷該反應(yīng)在一定條件下，體積恒定的密閉容器中是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的依據(jù)是BD．
A．容器中密度不變          B．容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3      D．單位時(shí)間內(nèi)消耗2molCO₂，同時(shí)消耗1mol二甲醚
（3）如圖為二甲醚燃料電池的工作原理示意圖．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：

①A電極是正極．
②B電極上發(fā)生的電極反應(yīng)式是CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．
③若燃料電池中通入二甲醚（沸點(diǎn)為-24.9℃）的速率為1.12L/min（標(biāo)準(zhǔn)狀況），以該燃料電池作為電源電解2mol•L^-1CuSO₄溶液500mL，則通電30秒鐘后理論上在陰極可析出金屬銅7.2g（假設(shè)整個(gè)過(guò)程中，能量利用率為75%）．

Answer 1

分析 （1）①由反應(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，將①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律可計(jì)算反應(yīng)的△H；
②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）化學(xué)平衡狀態(tài)的標(biāo)志是正逆反應(yīng)速率相同，各組分濃度保持不變，分析選項(xiàng)判斷；
（3）依據(jù)圖示分析通入氧氣的一端為正極，通入二甲醚的一端為負(fù)極，電解質(zhì)溶液為酸性環(huán)境，二甲醚失電子生成二氧化碳，根據(jù)電子守恒寫(xiě)出電極反應(yīng)；依據(jù)二甲醚通入的量計(jì)算物質(zhì)的量，結(jié)合電子守恒計(jì)算析出銅的質(zhì)量

解答 解：（1）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，
故答案為：-246.1kJ/mol；
②因?yàn)檫@些反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)溫度必升高．而溫度升高，化學(xué)平衡向左移動(dòng)，同時(shí)，溫度不斷升高，催化劑的活性將降低，均不利于二甲醚的合成，所以反應(yīng)器的溫度控制在230-280⁰C，
故答案為：因?yàn)檫@些反應(yīng)均為放熱反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)器內(nèi)溫度必升高．而溫度升高，化學(xué)平衡向左移動(dòng)，同時(shí)，溫度不斷升高，催化劑的活性將降低，均不利于二甲醚的合成；
（2）根據(jù)：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0可知，該反應(yīng)為氣體體積減小的吸熱反應(yīng)，所以在一定溫度下，體積恒定的密閉容器中，
A．反應(yīng)前后氣體質(zhì)量守恒，體積固定，所以過(guò)程中密度不變，容器的密度不變不能證明反應(yīng)達(dá)到平衡，故A錯(cuò)誤；
B．反應(yīng)前后氣體體積變化，容器內(nèi)壓強(qiáng)保持不變說(shuō)明反應(yīng)達(dá)平衡狀態(tài)，故B正確；
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3無(wú)法判斷正逆反應(yīng)速率是否相等，故C錯(cuò)誤；
D．單位時(shí)間內(nèi)消耗2mol CO₂，同時(shí)消耗1mol二甲醚證明反應(yīng)的正逆反應(yīng)速率相同，能說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡，故D正確；
故答案為：BD； 
（3）①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，正極發(fā)生還原反應(yīng)，氧氣在正極放電，故A為正極，
故答案為：正極；
②由①分析可知，B極為負(fù)極，A為正極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子，B電極的電極反應(yīng)式為 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺，
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺；
③若以1.12L•min^-1（標(biāo)準(zhǔn)狀況）的速率向該電池中通入二甲醚，用該電池電解500mL 2mol•L^-1 CuS0₄溶液，通電0.50min后，通入二甲醚物質(zhì)的量=$\frac{1.12L/min×0.50min}{22.4L/mol}$=0.025mol；
依據(jù)電極反應(yīng)電子守恒，CH₃OCH₃--12e^---6Cu²⁺，整個(gè)過(guò)程中，能量利用率為75%，
n（Cu²⁺）=0.025mol×75%×6=0.1125mol
m（Cu）=0.1125mol×64g/mol=7.2g，所以理論上可析出金屬銅的質(zhì)量7.2g，
故答案為：7.2．

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，（3）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，注意電子守恒的計(jì)算應(yīng)用．