【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)△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(y)=υ(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COH2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如下表。

t/min

0

10

20

30

40

50

P/kPa

50.0

78.0

92.0

99.0

100

100

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

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)。

【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,2+②+③消去CH3OH(g)H2O(g)。

(2)反應(yīng)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)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)40min50min時(shí)P相等,平衡時(shí)P=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,2+②+③3H2(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)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)的平行線與曲線相交,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(y)υ(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)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)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)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=。

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)P50.0kPa,40min50min時(shí)P相等,平衡時(shí)P=100kPa,=,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-11kg=8.39kW·h·kg-1

練習(xí)冊(cè)系列答案
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A. OHHCl===H2OCl

B. Ca(OH)2Cu2===Ca2Cu(OH)2

C. FeCu2===CuFe2

D. Fe2H===Fe3H2

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A. 達(dá)到平衡所需要的時(shí)間:A容器更短

B. 達(dá)到平衡時(shí):B容器中SO3的轉(zhuǎn)化率更大

C. 達(dá)到平衡時(shí):A容器中SO2的物質(zhì)的量更多

D. 達(dá)到平衡后,向兩容器中分別通入等量的氦氣,A容器中SO3的體積分?jǐn)?shù)增大

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C. 0.1 mol·L-1的FeCl3溶液:K、Cu2+、SO32-、NO3

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容器編號(hào)

溫度(℃)

起始物質(zhì)的量(mol)

平衡物質(zhì)的量(mol)

X(g)

Y(g)

Z(g)

387

0.20

0.080

0.080

387

0.40

0.160

0.160

T

0.20

0.090

0.090

回答下列問(wèn)題:

1若容器中反應(yīng)經(jīng)10min達(dá)到平衡,則前10min內(nèi)Y的平均反應(yīng)速率v(Y)=___________。容器和容器中起始時(shí)X的反應(yīng)速率v(X)___________v(X)(大于”“小于等于”)

2已知該正反應(yīng)為放熱反應(yīng),T___________387(大于小于”),判斷理由是___________。

3反應(yīng)方程式中X的化學(xué)計(jì)量數(shù)p的取值為___________,容器X的平衡轉(zhuǎn)化率為___________。若起始時(shí)向容器中充入0.1molX0.15molY0.10molZ,則反應(yīng)將向___________ (”)反應(yīng)方向進(jìn)行,判斷理由是_____________________________________________________

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②3AlCl(g)===2Al(l)+AlCl3(g) ΔH2=b kJ·mol1

③Al2O3(s)+3C(s)===2Al(l)+3CO(g) ΔH3

下列說(shuō)法正確的是(  )

A. ΔH3<0

B. Al2O3(s)+3C(s)===2Al(l)+3CO(g) ΔH3=(a-b) kJ·mol1

C. 該電池充電時(shí)石墨電極與電源負(fù)極相連

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