Question

图1是煤化工产业链的一部分，试运用所学知识，解决下列问题：
I．已知该产业链中某反应的平衡表达式为：K=，它所对应反应的化学方程式为______．
II．二甲醚（CH₃OCH₃）在未来可能替代柴油和液化气作为洁净液体燃料使用，工业上以CO和H₂为原料生产CH₃OCH₃．工业制备二甲醚在催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度230～280℃）进行下列反应：
①CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ?mol^-1
②2CH₃OH（g）CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ?mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ?mol^-1
（1）催化反应室中总反应的热化学方程式为______．830℃时反应③的K=1.0，则在催化反应室中反应③的K______1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）在某温度下，若反应①的起始浓度分别为：c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2.4mol/L，5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则5min内CO的平均反应速率为______；若反应物的起始浓度分别为：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L；达到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，a=______mol/L．
（3）为了寻找合适的反应温度，研究者进行了一系列试验，每次试验保持原料气组成、压强、反应时间等因素不变，试验结果如图2，CO转化率随温度变化的规律是______，其原因是______．
（4）“二甲醚燃料电池”是一种绿色电源，其工作原理如图3所示．写出a电极上发生的电极反应式______．

Answer 1

【答案】分析：Ⅰ、化学平衡常数指在一定温度下，可逆反应达到平衡时，各生成物浓度的化学计量数次幂的乘积除以各反应物浓度的化学计量数次幂的乘积所得的比值．
Ⅱ、（1）根据盖斯定律，已知热化学方程式乘以适当的系数进行加减构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的系数，进行相应的加减．注意消除中间产物CH₃0H、H₂O．
催化反应室中温度小于830℃，升高温度反应③平衡向正反应移动，平衡常数增大．
（2）5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，根据v（CO）=计算v（CO）．
计算该温度下的平衡常数，根据平衡常数计算平衡时氢气的浓度，根据甲醇的平衡浓度计算氢气浓度的变化量，进而计算a的值．
（3）由图可知温度低于240℃，CO的转化率随温度升高而增大；温度高于240℃，CO的转化率随温度升高而减小．
由图表可知，在较低温时，反应体系均未达到平衡，CO的转化率主要受反应速率影响，随着温度的升高反应速率增大，CO的转化率也增大；在较高温时，反应体系均已达到平衡，随着温度的升高平衡向逆反应方向移动，CO的转化率减小．
（4）由图可知，a极通入甲醚，a极是负极发生氧化反应，b极通入氧气，b极为正极，发生还原反应，正极电解反应式为3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，总的电极反应式为CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O，总的电极反应式减去正极反应式可得负极电极反应式．
解答：解：Ⅰ、平衡表达式为：K=，生成物为CO、H₂，反应物含有H₂O，三者化学计量数分别为1、1、1，根据元素守恒，故另一反应物为固体C，反应中它所对应反应的化学方程式为C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）．催化反应室中温度小于830℃，升高温度反应③平衡向正反应移动，平衡常数增大．
故答案为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）；＞．
Ⅱ、（1）已知①CO（ g）+2H₂（g）?CH₃OH（ g）△H₁=-91KJ?mol^-1，
②2CH₃0H（g）?CH₃0CH₃（g）+H₂0（g）△H₂=-24KJ?mol^-1，
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41KJ?mol^-1，
根据盖斯定律，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-247KJ?mol^-1．
故答案为：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-247KJ?mol^-1．
（2）5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则△c（CO）=1mol/L×50%=0.5mol/L，所以v（CO）==0.1mol/（L?min）；
该温度到达平衡时，c（CO）=0.5mol/L，c（H₂）=2.4mol/L-2×0.5mol/L=1.4mol/L，c（CH₃OH）=0.5mol/L，所以该温度下，平衡常数k==，若反应物的起始浓度分别为：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L，达到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，则平衡时c′（CO）=4mol/L-2mol/L=2mol/L，令平衡时氢气的浓度为ymol/L，所以=
解得y=1.4，故a=2mol/L×2+1.4mol/L=5.4mol/L．
故答案为：0.1mol/（L?min）；5.4．
（3）由图表可知，温度低于240℃时，CO的转化率随着温度的升高而增大；温度高于240℃时，CO的转化率随着温度的升高而减小．
在较低温时，各反应体系均未达到平衡，CO的转化率主要受反应速率影响，随着温度的升高反应速率增大，CO的转化率也增大；在较高温时，各反应体系均已达到平衡，CO的转化率主要受反应限度影响，随着温度的升高平衡向逆反应方向移动，CO的转化率减小．
故答案为：温度低于240℃时，CO的转化率随着温度的升高而增大；温度高于240℃时，CO的转化率随着温度的升高而减小；
在较低温时，各反应体系均未达到平衡，CO的转化率主要受反应速率影响，随着温度的升高反应速率增大，CO的转化率也增大；在较高温时，各反应体系均已达到平衡，CO的转化率主要受反应限度影响，随着温度的升高平衡向逆反应方向移动，CO的转化率减小．
（4）由图可知，a极通入甲醚，a极是负极发生氧化反应，b极通入氧气，b极为正极，发生还原反应，正极电解反应式为3O₂+12H⁺+12e^-=6H₂O，总的电极反应式为CH₃OCH₃+3O₂=2CO₂+3H₂O，总的电极反应式减去正极反应式可得负极电极反应式，故负极电极反应式为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
故答案为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺．
点评：题目综合性较大，涉及盖斯定律、热化学方程式书写、化学反应速率、化学平衡计算、平衡常数、原电池等内容，难度中等，注意平衡常数的有关计算，成为近几年高考的热点，注意（4）中利用两极电极反应式加合为总电极反应式书写电极反应式．