Question

二甲醚（CH₃OCH₃，沸點為-24.9℃）被稱為21世紀的新型能源．科學家利用太陽能分解水生成的氫氣與從煙道氣中分離出的CO₂在催化劑作用下合成二甲醚，并開發出直接以二甲醚為燃料的燃料電池．其合成流程如下：

（1）已知：CH₃OCH₃（g）、H₂（g）的標準燃燒熱分別為：△H=-1455.0kJ?mol^-1、△H=-285.8kJ?mol^-1．寫出以CO₂、H₂合成CH₃OCH₃的熱化學方程式：

 

．
（2）15～20%的乙醇胺．（HOCH₂CH₂NH₂）水溶液具有弱堿性，上述合成線路中用作CO₂吸收劑．寫出吸收CO₂反應的化學方程式

 

．
（3）一定條件下用CO₂和H₂合成二甲醚，反應物氣流量對CO₂的轉化率、二甲醚的選擇性（是指轉化生成二甲醚的碳占已轉化碳的比例）影響結果如圖1所示，當控制氣流量為28mL?min^-1時，則生成0.3mol二甲醚需要通入CO₂的物質的量為

 

．
（4）圖2為二甲醚燃料電池示意圖．

①b電極為

 

，a電極的電極反應式為

 

．  
該燃料電池的最大障礙是氧化反應不完全而產生

 

（填物質名稱）而導致通入電極的氣體通道堵塞．
②若以1.12L?min^-1（標準狀況）的速率向該電池中通入二甲醚，用該電池電解500mL 2mol?L^-1 CuSO₄溶液，通電0.50min后，計算理論上可析出金屬銅的質量（寫出解題過程）．

Answer 1

分析：（1）依據燃燒熱寫出熱化學方程式，結合蓋斯定律計算得到合成甲醚的熱化學方程式；
（2）氨基結合水電離平衡中的氫離子，促進水電離平衡正向進行，氫氧根離子濃度增大，溶液顯堿性；
（3）先根據二甲醚的選擇性求出理論上生成的二甲醚，然后根據物質的量之比等于化學計量數之比求出反應的CO₂的物質的量，最后根據CO₂的轉化率求出實際通入的CO₂；
（4）①反應本質是二甲醚的燃燒，原電池負極發生氧化反應，二甲醚在負極放電，正極反應還原反應，氧氣在正極放電，由圖可知，a極為負極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子；該燃料電池的最大障礙是氧化反應不完全而產生碳堵塞通入電極的氣體通道；
②依據二甲醚通入的量計算物質的量，結合電子守恒計算析出銅的質量；

解答：解：（1）已知：CH₃0CH₃（g）、H₂（g）的標準燃燒熱分別為：△H=-1455．OkJ?mol^-1、△H=-285.8kJ?mol^-1，
①CH₃0CH₃（g）+3O₂（g）═2CO₂（g）+3H₂O（l）△H=-1455.0kJ?mol^-1；
②H₂（g）+

1

2

O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ?mol^-1，
依據蓋斯定律②×6-①得到：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-259.8kJ/mol
寫出以CO₂、H₂合成CH₃OCH₃的熱化學方程式為：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-259.8kJ/mol，
故答案為：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-259.8kJ/mol；
（2）15～20%的乙醇胺．（HOCH₂CH₂NH₂）水溶液具有弱堿性，上述合成線路中用作C0₂吸收劑，乙醇胺水溶液呈弱堿性是取代基氨基結合氫離子，使溶液中的氫氧根離子濃度增大，結合二氧化碳生成碳酸鹽，反應的化學方程式為：2HOCH₂CH₂NH₂+H₂O+CO₂?（HOCH₂CH₂NH₃）₂CO₃；
故答案為：2HOCH₂CH₂NH₂+H₂O+CO₂?（HOCH₂CH₂NH₃）₂CO₃；
（3）生產0.3mol二甲醚，理論上應生成二甲醚物質的量

0.3mol

5%

=6mol，反應的反應的CO₂的物質的量為12mol，實際通入的CO₂的物質的量為

12mol

60%

=20mol，
故答案為：20mol； 
（4）①反應本質是二甲醚的燃燒，原電池負極發生氧化反應，二甲醚在負極放電，正極反應還原反應，氧氣在正極放電．由圖可知，a極為負極，b為正極，二甲醚放電生成二氧化碳與氫離子，a電極的電極反應式為 CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O═2CO₂+12H⁺；該燃料電池的最大障礙是氧化反應不完全而產生碳堵塞通入電極的氣體通道；
故答案為：正；CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-═2CO₂+12H⁺；炭；
②若以1.12L?min^-1（標準狀況）的速率向該電池中通入二甲醚，用該電池電解500mL 2mol?L^-1 CuS0₄溶液，通電0.50min后，通入二甲醚物質的量=

1.12L/min×0.50min

22.4L/mol

=0.025mol；依據電極反應電子守恒，CH₃OCH₃--12e^---6Cu²⁺
n（Cu²⁺）=0.025mol×6=0.15mol
m（Cu）=0.15mol×64g/mol=9.6g
答：理論上可析出金屬銅的質量9.6g；

點評：本題考查熱化學方程式書寫，燃燒熱概念，流程分析，圖象分析應用，原電池電極反應的書寫方法，電子守恒的計算應用，題目難度中等．