Question

【題目】能源是人類生存與發(fā)展比不可缺的，甲醇、甲醚（CH3OCH3）均是“清潔能源”，工業(yè)上可以通過(guò)多種方法合成它們。

（1）以CO、H2為原料合成甲醚的過(guò)程中，在反應(yīng)器中發(fā)生了下列反應(yīng)：

a．CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=- 90kJ mol-1

b．2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=-23 kJ mol-1

c．CO(g)+ H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H=-41 kJ mol-1

①選取適當(dāng)?shù)拇呋瘎�，在一定壓�?qiáng)下，向某恒容密閉容器中通入H2和CO制備甲醚，測(cè)得的有關(guān)數(shù)據(jù)如圖1所示。則制備甲醚時(shí)較適宜的生產(chǎn)溫度范圍是____________，通過(guò)理論分析得知反應(yīng)c的存在能提高甲醚的產(chǎn)率，原因是________________________________________________。

②3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+ CO2(g) △H，則△H=____________。

（2）用下列反應(yīng)也可得到甲醚：2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)。已知TK時(shí)，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=1。則在相同溫度下，當(dāng)一恒容密閉容器中c(CO2)=2.0×10-2mol·L-1、c(H2)=1.0×10-2mol·L-1、c(CH3OCH3)=1.0×10-4mol·L-1、c(H2O)=2.0×10-4mol·L-1時(shí)，v正____________ v逆（填“>”、“ <”或“=”）。

（3）控制適當(dāng)?shù)臈l件，CO2與H2也可轉(zhuǎn)化為甲醇：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。將CO2、H2按物質(zhì)的量比為1∶3的比例加入到恒容密閉容器中反應(yīng)。測(cè)得容器中n(CH3OH)在不同溫度下隨著時(shí)間的變化情況如圖2所示．

①該反應(yīng)的△H____________0（填“>”、 “=”、“ <”，下同）

②若溫度T1對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K1=10，則溫度T2對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K2____________10。

③下列數(shù)據(jù)能說(shuō)明該反應(yīng)一定處于平衡狀態(tài)的是____________（填選項(xiàng)字母）。

A．氣體密度保持不變 B．n(H2)=0.3mol

C．CO2、H2的消耗速率比為1∶3 D．氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量保持不變

（4）圖3為某綠色燃料電池的工作原理示意圖，寫出電池工作時(shí)負(fù)極上的電極反應(yīng)式：______________。

Answer 1

【答案】 550 K560 K 反應(yīng)c消耗了反應(yīng)b中生成的水，有利于反應(yīng)b向右進(jìn)行 -244 kJ mol-1 < < < D CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2 +12H+

【解析】（1）①從圖上數(shù)據(jù)可知，在550 K560 K之間甲醚的產(chǎn)率是最高的，所以制備甲醚時(shí)較適宜的生產(chǎn)溫度范圍是550 K560 K。反應(yīng)c中CO消耗了反應(yīng)b中生成的水，有效減小了反應(yīng)b的混合體系中水的濃度，有利于反應(yīng)b向右進(jìn)行。

②a得總反應(yīng)，3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+ CO2(g) ，所以

△H=2= -244 kJ mol-1。

（2）用下列反應(yīng)也可得到甲醚：2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g)。已知TK時(shí)，該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=1。則在相同溫度下，當(dāng)一恒容密閉容器中c(CO2)=2.0×10-2mol·L-1、c(H2)=1.0×10-2mol·L-1、c(CH3OCH3)=1.0×10-4mol·L-1、c(H2O)=2.0×10-4mol·L-1時(shí)，Qc= =2>1，反應(yīng)將向逆反應(yīng)進(jìn)行，所以 v正< v逆。

（3）控制適當(dāng)?shù)臈l件，CO2與H2也可轉(zhuǎn)化為甲醇：CO2(g)+H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)。將CO2、H2按物質(zhì)的量比為1∶3的比例加入到恒容密閉容器中反應(yīng)。測(cè)得容器中n(CH3OH)在不同溫度下隨著時(shí)間的變化情況如圖2所示．

①由圖像可知，T2先達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，但此溫度下甲醇的平衡量較小，因?yàn)闇囟仍礁呋瘜W(xué)反應(yīng)速率越大，所以T2>T1。因?yàn)闇囟壬�高化學(xué)平衡向吸熱反應(yīng)方向移動(dòng)，所以該反應(yīng)的△H<0。②對(duì)于放熱反應(yīng)，溫度越高，其化學(xué)平衡常數(shù)就越小，所以若溫度T1對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K1=10，則溫度T2對(duì)應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K2< 10。

③判斷可逆反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)，可以根據(jù)正反應(yīng)速率等于逆反應(yīng)速率或體系中某變量不變來(lái)作出判斷。由于正反應(yīng)是氣體分子數(shù)減少的反應(yīng)，所以隨正反應(yīng)的發(fā)生，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量減小，因此，氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量保持不變能說(shuō)明該反應(yīng)一定處于平衡狀態(tài)。如果是恒恒溫恒容，則密度是恒量；氫氣的平衡量不可能是某個(gè)不變的數(shù)據(jù)，所以A和B不是；C中兩個(gè)速率都是正反應(yīng)速率，不能說(shuō)明正反應(yīng)速率和逆反應(yīng)速率相等，所以C不是。

（4）由圖3可知，該燃料電池中甲醚是還原劑，氧氣是氧化劑，電池中使用了質(zhì)子交換膜，說(shuō)明電解質(zhì)是酸性的，所以甲醚被氧化成二氧化碳和水，電池工作時(shí)負(fù)極上的電極反應(yīng)式為CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2 +12H+。