Question

二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀的新型能源，是一種高效、清潔能源．
Ⅰ．工業制備二甲醚的生產流程如下：
催化反應室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）發生如下反應：
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）二甲醚也可以通過天然氣和CO₂合成制得，該反應的化學方程式為

3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃

．
（2）催化反應室中總反應3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=

-246.1kJ/mol

，830℃時反應③的K=1.0，則在催化反應室中反應③的K

＞

1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（3）在溫度相同的3個密閉容器中，按不同方式投入反應物，保持恒溫、恒壓，發生反應②，測得反應達到平衡時的有關數據如下．

容器	甲	乙	丙
反應物投入量	1mol CH3OCH3、1mol H2O	2mol CH3OH	1mol CH3OH
CH3OH的濃度（mol/L）	c1	c2	c3
反應的能量變化	吸收a kJ	放出b kJ	放出c kJ
平衡時體積（L）	V1	V2	V3
反應物轉化率	α 1	α 2	α 3

下列說法正確的是

A、B、C

．（填字母序號）
A．a+2c=23.5        B．α₁+α₂=1        C．V₁＞V₃       D．c₁=2c₃
（4）上述生產流程中，可以循環使用的物質有

甲醇和水、CO和H₂

．
Ⅱ．用二甲醚-空氣堿性（KOH）燃料電池作電源電解精煉粗銅（如圖），在接通電路一段時間純Cu質量增加3.2g．

（5）請寫出燃料電池中的負極反應式：

CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O

．
（6）燃料電池正極消耗標準狀況下空氣的體積是

2.8L

（空氣中O₂體積分數以20%計算）．

Answer 1

分析：（1）根據題意，可以通過天然氣和CO₂合成二甲醚（CH₃OCH₃），寫出反應的化學方程式即可；
（2）根據蓋斯定律結合已知反應來書寫熱化學方程式；對于放熱反應，溫度越低，K越大；
（3）恒溫恒壓下，甲、乙、丙到達平衡為等效平衡，對應各組分的含量完全相同、濃度相同，其中甲、乙對應各組分的物質的量相等，容器的體積相同，乙、丙轉化率相同，乙中物質的量為丙中對應各組分的2倍，據此結合選項計算判斷；
（4）根據實際流程確定可以循環使用的物質；
（5）燃料電池中，負極上是燃料發生失電子的氧化反應；
（6）燃料電池正極是氧氣發生得電子的還原反應，根據氧氣和空氣之間的組成關系來回答．

解答：解：（1）通過天然氣和CO₂合成二甲醚（CH₃OCH₃），得出反應的化學方程式3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃，故答案為：3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃；
（2）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，
反應3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）可以根據①×2+③+②得到，得出此反應的△H=-246.1kJ/mol，反應③是放熱反應，對于放熱反應，溫度越低，K越大，所以大于1，故答案為：-246.1kJ/mol；＞；
（3）A．恒溫恒壓下，甲、丙為等效平衡，對應各組分的含量完全相同、濃度相同，令平衡時甲中甲醚為nmol，則丙中甲醚為0.5nmol，甲中吸收的熱量為（1-n）×23.5kJ=akJ，丙中放出的熱量為0.5n×23.5kJ=ckJ，整理得a+2c=23.5，故A正確；
B．恒溫恒壓下，甲、乙到達平衡為等效平衡，對應各組分的含量完全相同，對應各組分的物質的量相等，令甲醚的轉化率為α₁，則平衡時甲醚的物質的量為（1-α₁）mol，乙中平衡時甲醚的物質的量為2α₂mol×

1

2

=α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故B正確；
C．甲容器投入的起始量和乙投入的起始量相當，乙容器反應物投入2molCH₃OH、丙容器反應物投入1molCH₃OH在保持恒溫、恒壓情況下是等效平衡，應存在V₁=V₂=2V₃，故C正確；
D．恒溫恒壓下，甲、乙、丙到達平衡為等效平衡，對應各組分的含量完全相同、濃度相同，c₁=c₃，故D錯誤；
故選A、B、C；
（4）上述生產流程中，甲醇和水、CO和H₂是可以循環使用的物質，故答案為：甲醇和水、CO和H₂；
（5）燃料電池中，負極上是燃料甲醚發生失電子的氧化反應，在堿性環境下，發生的反應為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（6）燃料電池正極上發生的電極反應為：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，純Cu是陰極，該極上析出金屬銅，當質量增加3.2g，轉移電子為0.1mol，此時正極上消耗氧氣的物質的量是0.025mol，所以需要空氣的體積是0.025mol×5×22.4L/mol=2.8L，故答案為：2.8L．

點評：本題涉化學反應原理中的熱化學、電化學以及化學平衡知識有關的綜合考查題，要求學生具有分析和解決問題的能力，難度大．