Question

6．二甲醚（CH₃OCH₃）和甲醇（CH₃OH）被稱為21世紀(jì)的新型燃料，具有清潔、高效等優(yōu)良的性能．以CH₄和H₂O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如圖1：

（1）催化反應(yīng)室B中CO與H₂合成二甲醚的化學(xué)方程式為：2CO+4H₂$?_{△}^{催化劑}$CH₃OCH₃+H₂O．
（2）催化反應(yīng)室A中發(fā)生的反應(yīng)為：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）   …（I）
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）    …（Ⅱ）
催化反應(yīng)室C中發(fā)生的反應(yīng)為：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）          …（Ⅲ）
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）…（Ⅳ）
①已知：原子利用率=$\frac{預(yù)期產(chǎn)物的相對(duì)分子量}{全部生成物質(zhì)的相對(duì)分子質(zhì)量綜合}$×100%，試求反應(yīng)（Ⅳ）的原子利用率為64%．
②反應(yīng)（Ⅳ）的△S＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．
③在壓強(qiáng)為5MPa，體積為VL的反應(yīng)室c中，amol CO與2amol H₂在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)（Ⅲ）生成甲醇，CO的轉(zhuǎn)化率（α）與溫度的關(guān)系如圖2．則該反應(yīng)的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．300℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{{α}_{1}{V}^{2}}{4{a}^{2}（1-{α}_{1}）^{3}}$（用含字母α的代數(shù)式表示）．
（3）我國(guó)某科研所提供一種堿性“直接二甲醚燃料電池”．該燃料電池負(fù)極的電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．有人提出了一種利用氯堿工業(yè)產(chǎn)品治理含二氧化硫（體積分?jǐn)?shù)為x）廢氣的方法如下：
①將含SO₂的廢氣通人電解飽和食鹽水所得溶液中，得NaHSO₃溶液；
②將電解飽和食鹽水所得氣體反應(yīng)后制得鹽酸；電解飽和食鹽水方程式：2NaCl+2H₂O═2NaOH+H₂（g）+Cl₂（g）
③將鹽酸加入NaHSO₃溶液中得SO₂氣體回收．
用上述堿性“直接二甲醚燃料電池”電解食鹽水來(lái)處理標(biāo)準(zhǔn)狀況下VL的廢氣，計(jì)算消耗二甲醚的質(zhì)量為$\frac{23Vx}{133.4}$g．

Answer 1

分析 （1）催化反應(yīng)室B中CO與H₂合成二甲醚，由元素守恒可知有水生成；
（2）①由原子利用率定義可知，反應(yīng)（Ⅳ）的原子利用率=$\frac{Mr（C{H}_{3}OH）}{Mr（C{H}_{3}OH）+Mr（{H}_{2}O）}$×100%；
②反應(yīng)（Ⅳ）是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，混亂度減小；
③由圖開(kāi)始，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
300℃平衡時(shí)CO轉(zhuǎn)化率為α₁，則：
            CO（g）+2 H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：a        2a        0
變化量（mol）：aα₁      2aα₁      aα₁     
平衡量（mol）：a（1-α₁）  2a（1-α₁） aα₁             
再根據(jù)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$計(jì)算；
（3）廢氣中二氧化硫?yàn)閂xL，由整個(gè)過(guò)程、結(jié)合電子轉(zhuǎn)移守恒可得關(guān)系式CH₃OCH₃～12SO₂，據(jù)此計(jì)算．

解答 解：（1）催化反應(yīng)室B中CO與H₂合成二甲醚，由元素守恒可知有水生成，反應(yīng)方程式為：2CO+4H₂$?_{△}^{催化劑}$CH₃OCH₃+H₂O，故答案為：2CO+4H₂$?_{△}^{催化劑}$CH₃OCH₃+H₂O；
（2）①由原子利用率定義可知，反應(yīng)（Ⅳ）的原子利用率=$\frac{Mr（C{H}_{3}OH）}{Mr（C{H}_{3}OH）+Mr（{H}_{2}O）}$×100%=$\frac{32}{32+18}$×100%=64%，故答案為：64%；
②反應(yīng)（Ⅳ）是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，混亂度減小，故△S＜0，故答案為：＜；
③由圖開(kāi)始，隨溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率減小，說(shuō)明升高溫度平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，則△H＜0；
300℃平衡時(shí)CO轉(zhuǎn)化率為α₁，則：
           CO（g）+2 H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：a       2a        0
變化量（mol）：aα₁     2aα₁  aα₁
平衡量（mol）：a（1-α₁） 2a（1-α₁） aα₁
平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{a{α}_{1}}{V}}{\frac{a（1-{α}_{1}）}{V}×[\frac{2a（1-{α}_{1}）}{V}]^{2}}$=$\frac{{α}_{1}{V}^{2}}{4{a}^{2}（1-{α}_{1}）^{3}}$，
故答案為：$\frac{{α}_{1}{V}^{2}}{4{a}^{2}（1-{α}_{1}）^{3}}$；
（3）廢氣中二氧化硫?yàn)閂xL，由整個(gè)過(guò)程、結(jié)合電子轉(zhuǎn)移守恒可得關(guān)系式CH₃OCH₃～12SO₂，設(shè)消耗二甲醚的質(zhì)量為m，則：
   CH₃OCH₃～12SO₂
46g          12×22.4L
m             Vx L
所以m=$\frac{46g×VxL}{12×22.4L}$=$\frac{23Vx}{133.4}$g，
故答案為：$\frac{23Vx}{133.4}$g．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、電化學(xué)等，（3）中計(jì)算涉及過(guò)程繁瑣，注意利用關(guān)系式解答，難度中等．