Question

【題目】二甲醚(DME)被譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔燃料”。由合成氣制備二甲醚的主要原理如下：

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)△H1=-90.7 kJ·mol-1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)△H2=-23.5kJ·mol-1

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H3=-41.2 kJ·mol-1

回答下列問(wèn)題：

（1）則反應(yīng)3H2(g)+3CO(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)的△H=_____________kJ·mol-1。

（2）在不同溫度下按照相同物質(zhì)的量投料發(fā)生反應(yīng)①，測(cè)得CO的平衡轉(zhuǎn)化率與壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示，下列說(shuō)法正確的是_____________。

A．反應(yīng)溫度：T1>T2 B．正反應(yīng)速率：υ正(y)=υ正(w)

C．混合氣體密度：ρ(x)>ρ(w) D．混合氣體平均摩爾質(zhì)量：M(y)<M(z)

E．該反應(yīng)的△S<0、△H<0，所以能在較低溫度下自發(fā)進(jìn)行

（3）采用一種新型的催化劑(主要成分是Cu-Mn的合金)，利用CO和H2制備二甲醚(DME)。如圖回答問(wèn)題;催化劑中約為_____________時(shí)最有利于二甲醚的合成。

（4）高溫時(shí)二甲醚發(fā)生分解反應(yīng)：CH3OCH3CH4+CO+H2。迅速將二甲醚引入一個(gè)504℃的抽成真空的瓶中，在不同時(shí)刻t測(cè)定瓶?jī)?nèi)壓強(qiáng)P總如下表。

t/min	0	10	20	30	40	50
P總/kPa	50.0	78.0	92.0	99.0	100	100

①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為Kp=_____________。

②該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=_____________。(帶單位。某一物質(zhì)的平衡分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))

（5）一種以二甲醚作為燃料的燃料電池的工作原理如圖所示。則其負(fù)極的電極反應(yīng)式為_______________。該電池的理論輸出電壓為1.20V，則其能量密度E=_____________(列式計(jì)算。能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1kW·h=3.6×106J，法拉第常數(shù)F=96500C·mol-1)。

Answer 1

【答案】 -246.1 CE 2.0 625kPa2 CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+ (3.6×106J·kW-l·h-1)=8.39kW·h·kg-1

【解析】分析：本題考查蓋斯定律的應(yīng)用、化學(xué)平衡圖像的分析、化學(xué)平衡常數(shù)的計(jì)算、燃料電池的工作原理和計(jì)算。

（1）應(yīng)用蓋斯定律，將①2+②+③消去CH3OH（g）和H2O（g）。

（2）反應(yīng)①的特點(diǎn)是：正反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的放熱反應(yīng)；壓強(qiáng)相同時(shí)，升高溫度反應(yīng)①平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，氣體分子物質(zhì)的量增大，混合氣體密度減小，混合氣體的平均摩爾質(zhì)量減小；溫度相同時(shí)，增大壓強(qiáng)化學(xué)反應(yīng)速率加快，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)；能自發(fā)進(jìn)行的反應(yīng)的ΔG=ΔH-TΔS0。

（3）圖像中約為2.0時(shí)，DME選擇性最高，CO轉(zhuǎn)化率最大，為合成二甲醚的最佳條件。

（4）40min和50min時(shí)P總相等，平衡時(shí)P總=100kPa，用三段式和Kp的表達(dá)式計(jì)算平衡常數(shù)。

（5）電解質(zhì)為酸性，負(fù)極反應(yīng)式為：CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+。能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，計(jì)算1kg二甲醚參與反應(yīng)時(shí)電池輸出電能即可。根據(jù)法拉第電解定律計(jì)算電量Q（Q=znF，其中z代表電極反應(yīng)式中以1mol物質(zhì)為基準(zhǔn)轉(zhuǎn)移電子的計(jì)量數(shù)，n為電極反應(yīng)式中消耗或析出物質(zhì)物質(zhì)的量，F為法拉第常數(shù)），由電量計(jì)算電功W（W=QU，W代表電功，Q代表電量，U代表電壓），電功進(jìn)行單位換算得出電池輸出電能。

詳解：（1）應(yīng)用蓋斯定律，①2+②+③得3H2（g）+3CO（g）CH3OCH3（g）+CO2（g）ΔH=（-90.7kJ/mol）2+（-23.5kJ/mol）+（-41.2kJ/mol）=-246.1kJ/mol。

（2）A項(xiàng)，反應(yīng)①的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，在橫坐標(biāo)上任取一點(diǎn)作縱坐標(biāo)的平行線(xiàn)與曲線(xiàn)相交，可見(jiàn)CO的平衡轉(zhuǎn)化率依T1、T2、T3順序減小，則反應(yīng)溫度：T3T2T1，A項(xiàng)錯(cuò)誤；B項(xiàng)，y點(diǎn)和w點(diǎn)溫度相同，y點(diǎn)壓強(qiáng)大于w點(diǎn)壓強(qiáng)，其他條件相同時(shí)有氣體參與的反應(yīng)壓強(qiáng)越大反應(yīng)速率越快，正反應(yīng)速率：υ正（y）υ正（w），B項(xiàng)錯(cuò)誤；C項(xiàng)，x點(diǎn)、w點(diǎn)壓強(qiáng)相同，x點(diǎn)的溫度低于w點(diǎn)的溫度，溫度升高反應(yīng)①向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，x點(diǎn)平衡時(shí)氣體分子物質(zhì)的量小于w點(diǎn)，根據(jù)PV=nRT，平衡時(shí)x點(diǎn)容器的體積小于w點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，x點(diǎn)、w點(diǎn)氣體的質(zhì)量相等，混合氣體的密度：ρ（x）ρ（w），C項(xiàng)正確；D項(xiàng)，y點(diǎn)、z點(diǎn)壓強(qiáng)相同，y點(diǎn)溫度低于z點(diǎn)，溫度升高反應(yīng)①向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，y點(diǎn)平衡時(shí)氣體分子物質(zhì)的量小于z點(diǎn)，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，y點(diǎn)、z點(diǎn)氣體的質(zhì)量相等，混合氣體平均摩爾質(zhì)量：M（y）M（z），D項(xiàng)錯(cuò)誤；E項(xiàng)，該反應(yīng)①的ΔH0，該反應(yīng)的正反應(yīng)為氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)即ΔS0，該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行時(shí)ΔH-TΔS0，該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是低溫，E項(xiàng)正確；答案選CE。

（3）根據(jù)圖像催化劑中約為2.0時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率最大、DME選擇性最大，催化劑中約為2.0時(shí)最有利于二甲醚的合成。

（4）①根據(jù)平衡常數(shù)的概念，反應(yīng)CH3OCH3CH4+CO+H2的平衡常數(shù)表達(dá)式Kp=。

②設(shè)起始充入的CH3OCH3物質(zhì)的量為amol，從起始到平衡轉(zhuǎn)化CH3OCH3物質(zhì)的量為xmol，用三段式：CH3OCH3CH4+CO+H2

n（起始）（mol） a 0 0 0

n（轉(zhuǎn)化）（mol） x x x x

n（平衡）（mol） a-x x x x

根據(jù)表中數(shù)據(jù)，起始時(shí)P總為50.0kPa，40min和50min時(shí)P總相等，平衡時(shí)P總=100kPa，則=，解得x=，平衡時(shí)CH3OCH3、CH4、CO、H2物質(zhì)的量都為mol，各物質(zhì)物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)都為，平衡時(shí)CH3OCH3、CH4、CO、H2的分壓都為100kPa=25kPa，該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp===625kPa2。

（5）根據(jù)裝置圖，該二甲醚燃料電池中電解質(zhì)為酸性，在負(fù)極二甲醚發(fā)生氧化反應(yīng)生成CO2，負(fù)極電極反應(yīng)式為CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+。設(shè)消耗二甲醚1kg，根據(jù)負(fù)極電極反應(yīng)式，每消耗1molCH3OCH3轉(zhuǎn)移12mol電子，根據(jù)法拉第電解定律計(jì)算Q=znF=1296500C/mol，電功W=UQ=1.2V1296500C/mol，根據(jù)換算公式1kW·h=3.6106J，電池輸出電能為1.2V1296500C/mol（3.6106J·kW-1·h-1），能量密度E=電池輸出電能/燃料質(zhì)量=1.2V1296500C/mol（3.6106J·kW-1·h-1）1kg=8.39kW·h·kg-1。