Question

如图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常数达式为：K=

c(H2)?c(CO)

c(H2O)

，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）反应②在t℃时的平衡常数为400，此温度下，在0.5L的密闭容器中加入一定的甲醇，反应到某时刻测得各组分的物质的量浓度如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c（mol/L）	0.8	1.24	1.24

①此时刻v_正

 

v_逆（填“大于”“小于”或“等于”）．
②平衡时二甲醚的物质的量浓度是

 

．
（4）以二甲醚、空气、KOH溶液为原料，以石墨为电极可直接构成燃料电池，则该电池的负极反应式为

 

；若以1.12L/min（标准状况）的速率向电池中通入二甲醚，用该电池电解500mL 2mol/L CuSO₄溶液，通电0.50min后，计算理论上可析出金属铜的质量为

 

．

Answer 1

考点：热化学方程式,化学电源新型电池,反应速率的定量表示方法,化学平衡的计算

专题：化学反应中的能量变化,化学平衡专题,电化学专题

分析：I．根据平衡常数表达式可写成化学方程式；
Ⅱ．（1）运用盖斯定律按照目标方程式将已知的热化学方程式变形运算得到所要求得目标反应的热化学方程式；反应③为放热反应降低温度平衡正向移动K值增大；
（2）列三段表示出反应达到平衡过程中各物质的浓度，运用反应速率表达式求出5min内CO的平均反应速率，应用K求出a值；
（3）①比较Qc与K的关系，若Qc＞K平衡左移，若Qc＜K平衡向右移若Qc=K达到平衡状态；
     ②列三段表示出平衡时各物质的浓度，利用平衡常数表达式求解；
（4）先写出燃料电池的总反应式，再写出正极的电极反应式，做差得负极电极反应式，根据每个电极转移电子数相同求出析出铜的质量．

解答： 解：Ⅰ．因为K=

c(H2)?c(CO)

c(H2O)

所以该反应的方程式为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），注意C为固态，不列入平衡常数表达式，
故答案为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）；
Ⅱ．（1）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
  依据盖斯定律将方程式变形①×2+②+③得 3CO（g）+3H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），△H=△H1×2+△H2+△H3=-246.1kJ?mol^-1
反应③为放热反应降低温度平衡正向移动K值增大，830℃时反应③的K=1.0，催化反应室中温度为230～280℃，所以K值增大，K＞1.0；
故答案为：3CO（g）+3H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ?mol^-1；K＞1.0；
（2）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
  起始浓度（ mol/L）    1      2.4         0
 转化浓度（ mol/L）     0.5      1         0.5
 平衡浓度（ mol/L）     0.5     1.4      0.5
△C（CO）=1×0.5=0.5
V（CO）=△C（CO）÷t=0.5mol/L÷5min=0.1mol/（L?min）；
K=

[CH3OH]

[CO][H2]2

=

0.5

0.5×1.4×1.4

=

1

1.4×1.4

                    CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
 起始浓度（ mol/L）   4      a          0
转化浓度（ mol/L）    2       4         2
平衡浓度（ mol/L）   2       a-4        2
因为温度相同所以改变初始浓度后平衡常数不变K=

2

2×(a-4)2

=

1

1.4×1.4

  a=5.4mol/L；
故答案为：5min内CO的平均反应速率为0.1mol/（L?min）； a=5.4mol/L；
（3）Qc=

C(CH3OCH3)C(H2O)

C(CH3OH)2

=

1.24×1.24

0.8×0.8

=2.4  
K=400 
Qc＜K  
平衡向正方向反应V正＞V逆；
故答案为：大于；
设生成的CH₃OCH₃ 的浓度 x
                        2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
 起始浓度（ mol/L）      0.8         1.24           1.24  
 转化浓度（ mol/L）       2x            x            x
平衡浓度（ mol/L）     0.8-2x        1.24+x       1.24+x
K=

(1.24+x)(1.24+x)

(0.8-2x)(0.8-2x)

=400         
x=0.36      
c（CH₃OCH₃（g））=1.24+0.36=1.6
故答案为：CH₃OCH₃浓度为1.6 mol/L；
（4）二甲醚、空气、KOH溶液为原料总电池反应方程式为为：CH₃OCH₃+3O₂+4OH^-=2CO₃^2-+5H₂O  ①
正极电极反应式为：3O₂+6H₂O+2e^-=12e^-  ②
①-②得：CH₃OCH₃-12e^-+16OH ^-=2CO₃^2-+11H₂O 
故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH ^-=2CO₃^2-+11H₂O；  
n（CH₃OCH₃）=1.12L/min×0.5min÷22.4L/mol=0.025mol  
n（Cu²⁺）=0.5L×2mol/L=1mol
CH₃OCH₃～e^-                          Cu²⁺～2e^-～Cu 
   1   12                           2        64 
0.025    0.3                      0.3        9.6
故答案为：理论上可以析出9.6g铜．

点评：本题考查了盖斯定律求反应热、化学平衡常数表达式及其应用、燃料电池、电解池计算，难度中等．