Question

二甲醚（CH3OCH3）被称为21世纪的新型能源，是一种高效、清洁能源．Ⅰ．工业制备二甲醚的生产流程如下：

二甲醚（CH3OCH3）被称为21世纪的新型能源，是一种高效、清洁能源．Ⅰ．工业制备二甲醚的生产流程如下：催化反应室中（压力2.0～10.0Mpa，温度230～280℃）发生如下反应：①CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H=-90.7kJ/mol②2CH3OH（g）?CH3OCH3（g）+H2O（g）△H=-23.5kJ/mol③CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H=-41.2kJ/mol（1）二甲醚也可以通过天然气和CO2合成制得，该反应的化学方程式为______．（2）催化反应室中总反应3CO（g）+3H2（g）?CH3OCH3（g）+CO2（g）的△H=______，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“=”）．（3）在温度相同的3个密闭容器中，按不同方式投入反应物，保持恒温、恒压，发生反应②，测得反应达到平衡时的有关数据如下． 容器 甲 乙 丙 反应物投入量 1mol CH3OCH3、1mol H2O 2mol CH3OH 1mol CH3OH CH3OH的浓度（mol/L） c1 c2 c3 反应的能量变化 吸收a kJ 放出b kJ 放出c kJ 平衡时体积（L） V1 V2 V3 反应物转化率 α 1 α 2 α 3下列说法正确的是______．（填字母序号）A．a+2c=23.5 B．α1+α2=1 C．V1＞V3 D．c1=2c3（4）上述生产流程中，可以循环使用的物质有______．Ⅱ．用二甲醚-空气碱性（KOH）燃料电池作电源电解精炼粗铜（如图），在接通电路一段时间纯Cu质量增加3.2g．（5）请写出燃料电池中的负极反应式：______．（6）燃料电池正极消耗标准状况下空气的体积是______（空气中O2体积分数以20%计算）．

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Answer 1

（1）通过天然气和CO₂合成二甲醚（CH₃OCH₃），得出反应的化学方程式3CH₄+CO₂→2CH₃OCH₃，故答案为：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，
反应3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）可以根据①×2+③+②得到，得出此反应的△H=-246.1kJ/mol，反应③是放热反应，对于放热反应，温度越低，K越大，所以大于1，故答案为：-246.1kJ/mol；＞；
（3）A．恒温恒压下，甲、丙为等效平衡，对应各组分的含量完全相同、浓度相同，令平衡时甲中甲醚为nmol，则丙中甲醚为0.5nmol，甲中吸收的热量为（1-n）×23.5kJ=akJ，丙中放出的热量为0.5n×23.5kJ=ckJ，整理得a+2c=23.5，故A正确；
B．恒温恒压下，甲、乙到达平衡为等效平衡，对应各组分的含量完全相同，对应各组分的物质的量相等，令甲醚的转化率为α₁，则平衡时甲醚的物质的量为（1-α₁）mol，乙中平衡时甲醚的物质的量为2α₂mol×

1

2

=α₂mol，故（1-α₁）=α₂，整理得α₁+α₂=1，故B正确；
C．甲容器投入的起始量和乙投入的起始量相当，乙容器反应物投入2molCH₃OH、丙容器反应物投入1molCH₃OH在保持恒温、恒压情况下是等效平衡，应存在V₁=V₂=2V₃，故C正确；
D．恒温恒压下，甲、乙、丙到达平衡为等效平衡，对应各组分的含量完全相同、浓度相同，c₁=c₃，故D错误；
故选A、B、C；
（4）上述生产流程中，甲醇和水、CO和H₂是可以循环使用的物质，故答案为：甲醇和水、CO和H₂；
（5）燃料电池中，负极上是燃料甲醚发生失电子的氧化反应，在碱性环境下，发生的反应为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O，故答案为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O；
（6）燃料电池正极上发生的电极反应为：O₂+2H₂O+4e^-=4OH^-，纯Cu是阴极，该极上析出金属铜，当质量增加3.2g，转移电子为0.1mol，此时正极上消耗氧气的物质的量是0.025mol，所以需要空气的体积是0.025mol×5×22.4L/mol=2.8L，故答案为：2.8L．