Question

三甲胺N(CH₃)₃是重要的化工原料。最近我国科学家实现了使用铜催化剂将N，N—二甲基甲酰胺（N(CH₃)₂NCHO，简称DMF）转化为三甲胺的合成路线。回答下列问题：

（1）结合实验与计算机模拟结果，研究单一DMF分子在铜催化剂表面的反应历程，如图所示：

该历程中最大能垒（活化能）=__eV，该步骤的化学方程式为__。

（2）该反应变化的ΔH__0（填“<”、“>”或“=”），制备三甲胺的热化学方程式为__。

（3）160℃时，将DMF(g)和H₂(g)以物质的量之比为1：2充入盛有催化剂的刚性容器中，容器内起始压强为p₀，达到平衡时DMF的转化率为25%，则该反应的平衡常数K_p=__（K_p为以分压表示的平衡常数）；能够增大DMF平衡转化率同时加快反应速率的操作是__。

（4）三甲胺是鱼腥臭的主要来源，是判断海水鱼类鲜度的化学指标之一。通过传感器产生的电流强度可以监测水产品中三甲胺的含量，一种燃料电池型三甲胺气体传感器的原理如图所示。外电路的电流方向为__（填“a→b”或“b→a”），负极的电极反应式为__。

Answer

1.19 N(CH3)3+OH-+H+=N(CH3)3↑+H2O↑ < (CH3)2NCHO(g)+2H2(g)=N(CH3)3(g)+H2O(g) ΔH=-1.02NAev/mol 增大压强、增大氢气浓度 a→b 2N(CH3)3-42e-+12H2O=N2↑+6CO2↑+42H+

【解析】

(1)如图所示，反应历程中反应物和生成物相对能量差值最大的为最大能垒；

(2)如图所示，根据盖斯定律分析，反应物总能量高于生成物总能量，结合图示书写热化学反应方程式；

(3)利用“三段式”，结合相同条件下，压强之比等于物质的量之比，计算压强表示的平衡常数；

(4)根据燃料电池的特点判断正负极，结合图示及电解质溶液书写电极反应式。

(1)如图所示，反应历程中反应物和生成物相对能量差值最大的为最大能垒，即N(CH3)3+OH-+H+=N(CH3)3↑+H2O↑反应过程中活化能最大，活化能=2.21 eV -1.02 eV =1.19 eV；

(2)如图所示，根据盖斯定律，反应热只与反应始态和终态有关，与反应过程无关，反应物总能量高于生成物总能量，该反应为放热反应，ΔH＜0，单一DMF分子反应释放的能量为1.02eV，1mol该分子放出的能量为1.02NAeV，热化学反应方程式：(CH3)2NCHO(g)+2H2(g)=N(CH3)3(g)+H2O(g) ΔH=-1.02NAeV/mol；

(3)160℃时，将DMF(g)和H2(g)以物质的量之比为1：2充入盛有催化剂的刚性容器中，容器内起始压强为p0，达到平衡时DMF的转化率为25%，设DMF(g)和H2(g)的初始投入物质的量为1mol和2mol，列“三段式”：

根据，则p平==p0；则该反应的平衡常数Kp==；能够增大DMF平衡转化率同时加快反应速率的操作：增大压强、增大氢气浓度；

(4)该电池为燃料电池，a电极上氧气得电子发生还原反应，b电极上三甲胺失电子发生氧化反应，则a为正极，b为负极，原电池中电子从负极流向正极即从b流向a，电流的方向与电子的移动方向相反，则外电路电流的方向为a→b；电解质溶液为酸性，结合图示，负极的电极反应式为：2N(CH3)3-42e-+12H2O=N2↑+6CO2↑+42H+。