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，被譽為“二十一世紀的新能源”．另外，二甲醚還被廣泛用作致冷劑、氣霧劑以及有機化工中間體．
（1）工業(yè)上一步法制二甲醚的生產流程如下：

在一定的溫度（230-280℃）、壓強（2-10MPa）和催化劑作用下，反應器中進行下列一些反應：
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反應器中總反應式可表示為：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），則該反應的△H=：-246.1kJ/mol．
②在生產過程中反應器必須要進行換熱，以保證反應器的溫度控制在230-280⁰C，其原因是因為這些反應均為放熱反應，隨著反應的進行，反應器內溫度必升高．而溫度升高，化學平衡向左移動，同時，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是解決溫室效應的有效途徑．目前，由CO₂來合成二甲醚已取得了較大的進展，其化學反應是：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0．判斷該反應在一定條件下，體積恒定的密閉容器中是否達到化學平衡狀態(tài)的依據是BD．
A．容器中密度不變          B．容器內壓強保持不變
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3      D．單位時間內消耗2molCO₂，同時消耗1mol二甲醚
（3）如圖為二甲醚燃料電池的工作原理示意圖．請回答下列問題：

①A電極是正極．
②B電極上發(fā)生的電極反應式是CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺．
③若燃料電池中通入二甲醚（沸點為-24.9℃）的速率為1.12L/min（標準狀況），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（假設整個過程中，能量利用率為75%）．

Answer 1

分析 （1）①由反應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，根據蓋斯定律可計算反應的△H；
②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）化學平衡狀態(tài)的標志是正逆反應速率相同，各組分濃度保持不變，分析選項判斷；
（3）依據圖示分析通入氧氣的一端為正極，通入二甲醚的一端為負極，電解質溶液為酸性環(huán)境，二甲醚失電子生成二氧化碳，根據電子守恒寫出電極反應；依據二甲醚通入的量計算物質的量，結合電子守恒計算析出銅的質量

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因為這些反應均為放熱反應，隨著反應的進行，反應器內溫度必升高．而溫度升高，化學平衡向左移動，同時，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，所以反應器的溫度控制在230-280⁰C，
故答案為：因為這些反應均為放熱反應，隨著反應的進行，反應器內溫度必升高．而溫度升高，化學平衡向左移動，同時，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：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H＞0可知，該反應為氣體體積減小的吸熱反應，所以在一定溫度下，體積恒定的密閉容器中，
A．反應前后氣體質量守恒，體積固定，所以過程中密度不變，容器的密度不變不能證明反應達到平衡，故A錯誤；
B．反應前后氣體體積變化，容器內壓強保持不變說明反應達平衡狀態(tài)，故B正確；
C．v（CO₂）：v（H₂）=1：3無法判斷正逆反應速率是否相等，故C錯誤；
D．單位時間內消耗2mol CO₂，同時消耗1mol二甲醚證明反應的正逆反應速率相同，能說明反應達到平衡，故D正確；
故答案為：BD； 
（3）①反應本質是二甲醚的燃燒，原電池負極發(fā)生氧化反應，二甲醚在負極放電，正極發(fā)生還原反應，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電極的電極反應式為 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺，
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺；
③若以1.12L•min^-1（標準狀況）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，通入二甲醚物質的量=$\frac{1.12L/min×0.50min}{22.4L/mol}$=0.025mol；
依據電極反應電子守恒，CH₃OCH₃--12e^---6Cu²⁺，整個過程中，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量7.2g，
故答案為：7.2．

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，（3）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，注意電子守恒的計算應用．