Question

合成气的主要成分是一氧化碳和氢气，可用于合成二甲醚等清洁燃料。从天然气获得合成气过程中可能发生的反应有：

CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)      ΔH₁=+206.1kJ/mol       ①

CH₄(g)+CO₂(g)2CO(g)+2H₂(g)     ΔH₂=+247.3kJ/mol       ②

请回答下列问题：

(1)在一密闭容器中进行反应①，测得CH₄的物质的量浓度随反应时间的变化如图1所示。反应进行的前5min内，v(H₂)=____；10min时，改变的外界条件可能是_____。

(2)如图2所示，在甲、乙两容器中分别充入等物质的量的CH₄和CO₂，使甲、乙两容器初始容积相等。在相同温度下发生反应②，并维持反应过程中温度不变。已知甲容器中CH₄的转化率随时间变化的图像如图3所示，请在图3中画出乙容器中CH₄的转化率随时间变化的图像_____。

(3)800℃时，反应CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)的化学平衡常数K=1.0，某时刻测得该温度下的密闭容器中各物质的物质的量见下表，此时反应中正、逆反应速率的关系式是____（填序号）。

a.v(正)＞v(逆)

b.v(正)＜v(逆)

c.v(正)=v(逆)

d.无法判断

CO	H2O	CO2	H2
0.5mol	8.5mol	2.0mol	2.0mol

(4)二甲醚（CH₃OCH₃）可由合成气（CO和H₂）在一定条件下制得，写出该反应的化学方程式：____。

(5)以二甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极构成燃料电池。该电池的负极电极反应方程式是：____。用二甲醚燃料电池为电源，用铂电极电解KCl和CuSO₄的混合溶液，当电路中通过0.3mol电子的电量时，阴阳两极都产生2.8L的气体(标准状况)，若电解后溶液体积为1L，则阳极气体的成分及物质的量为：____。

Answer

0.3mol/(L·min) 升高温度或冲入水蒸气 a 2CO+4H2→CH3OCH3+H2O（一定条件） CH3OCH3+16OH--12e-=2CO32-+11H2O O2：0.025mol、Cl2：0.10mol

【解析】

(1)反应进行的前5min内，CH4的浓度变化量为0.50mol/L，由此可求出v(H2)；10min时，改变的外界条件，2min内CH4的浓度变化量为0.25mol/L，与前一时间段进行对比，从而得出反应速率加快，由此预测可能发生改变的外界条件。

(2)因为反应CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)发生后，气体分子数增大，所以乙容器相当于甲容器减小压强，由此可确定平衡移动的方向、CH4的转化率变化及所需的时间。

(3)800℃时，反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)的化学平衡常数K=1.0，利用表中数据求浓度商，并与K进行比较，从而确定平衡移动的方向，由此得出正、逆反应速率的相对大小。

(4) CO和H2在一定条件下制得CH3OCH3，由此可写出该反应的化学方程式。

(5)以二甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料，石墨为电极构成燃料电池。该电池的负极为二甲醚在碱性条件下失电子，转化为CO32-等。用二甲醚燃料电池为电源，用铂电极电解KCl和CuSO4的混合溶液，阳极先发生Cl-失电子生成Cl2的反应，后发生H2O失电子生成O2的反应；阴极先发生Cu2+得电子的反应，后发生H2O得电子生成H2的反应，代入数据建立方程式，即可求出结果。

(1)从图中可提取以下信息，反应进行的前5min内，CH4的浓度变化量为0.50mol/L；10min后，改变某条件，2min内CH4的浓度变化量为0.25mol/L。则反应进行的前5min内，v(CH4)==0.10mol/(L·min)，依据化学方程式CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)，可得出v(H2)=3v(CH4)= 0.30mol/(L·min)；与10min前进行对比，反应速率加快且平衡正向移动，所以改变的外界条件可能是升高温度或冲入水蒸气。答案为：0.30mol/(L·min)；升高温度或冲入水蒸气；

(2)我们以甲为参照，随着反应的进行，气体分子数增大，压强增大，对于恒压容器乙，相当于甲增大容积减小压强，则反应速率减慢，但平衡正向移动，CH4的转化率增大，由此可在图3中画出乙容器中CH4的转化率随时间变化的图象为。答案为：；

(3)由表中数据及反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，可求出浓度商为Q==0.94