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【題目】二甲醚(DME)被譽為“21世紀的清潔燃料。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

回答下列問題:

(1)則反應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的量投料發生反應①,測得CO的平衡轉化率與壓強的關系如圖所示,下列說法正確的是_____________

A.反應溫度:T1>T2 B.正反應速率: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量:M(y)<M(z)

E.該反應的△S<0、△H<0,所以能在較低溫度下自發進行

(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)。如圖回答問題;催化劑中約為_____________時最有利于二甲醚的合成。

(4)高溫時二甲醚發生分解反應:CH3OCH3CH4+CO+H2迅速將二甲醚引入一個504℃的抽成真空的瓶中,在不同時刻t測定瓶內壓強P如下表。

t/min

0

10

20

30

40

50

P/kPa

50.0

78.0

92.0

99.0

100

100

該反應的平衡常數表達式為Kp=_____________

該反應的平衡常數Kp=_____________。(帶單位。某一物質的平衡分壓=總壓×物質的量分數)

(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。則其負極的電極反應式為_______________。該電池的理論輸出電壓為1.20V,則其能量密度E=_____________(列式計算。能量密度=電池輸出電能/燃料質量,1kW·h=3.6×106J,法拉第常數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用、化學平衡圖像的分析、化學平衡常數的計算、燃料電池的工作原理和計算。

(1)應用蓋斯定律2+②+③消去CH3OH(g)H2O(g)。

(2)反應的特點是:正反應為氣體分子數減小的放熱反應;壓強相同時,升高溫度反應平衡向逆反應方向移動,CO的平衡轉化率減小氣體分子物質的量增大混合氣體密度減小混合氣體的平均摩爾質量減小溫度相同時增大壓強化學反應速率加快,平衡向正反應方向移動能自發進行的反應的ΔG=ΔH-TΔS0。

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

(4)40min50minP相等,平衡時P=100kPa,用三段式和Kp的表達式計算平衡常數。

(5)電解質為酸性,負極反應式為:CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+能量密度=電池輸出電能/燃料質量,計算1kg二甲醚參與反應時電池輸出電能即可。根據法拉第電解定律計算電量Q(Q=znF,其中z代表電極反應式中以1mol物質為基準轉移電子的計量數,n為電極反應式中消耗或析出物質物質的量,F為法拉第常數,由電量計算電功W(W=QU,W代表電功,Q代表電量,U代表電壓,電功進行單位換算得出電池輸出電能。

詳解:(1)應用蓋斯定律,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,反應的正反應為放熱反應,升高溫度平衡向逆反應方向移動,CO的平衡轉化率減小,在橫坐標上任取一點作縱坐標的平行線與曲線相交,可見CO的平衡轉化率依T1、T2、T3順序減小,則反應溫度:T3T2T1,A項錯誤;B項,y點和w點溫度相同,y點壓強大于w點壓強,其他條件相同時有氣體參與的反應壓強越大反應速率越快,正反應速率:υ(y)υ(w),B項錯誤;C項,x點、w點壓強相同,x點的溫度低于w點的溫度,溫度升高反應向逆反應方向移動,x點平衡時氣體分子物質的量小于w根據PV=nRT,平衡時x點容器的體積小于w根據質量守恒定律,x、w點氣體的質量相等混合氣體的密度:ρ(x)ρ(w),C項正確;D項,y、z點壓強相同,y點溫度低于z溫度升高反應向逆反應方向移動,y點平衡時氣體分子物質的量小于z根據質量守恒定律,y、z點氣體的質量相等混合氣體平均摩爾質量:M(y)M(z),D項錯誤;E項,該反應的ΔH0,該反應的正反應為氣體分子數減小的反應即ΔS0,該反應自發進行時ΔH-TΔS0,該反應自發進行的條件是低溫,E項正確;答案選CE。

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

(4)①根據平衡常數的概念,反應CH3OCH3CH4+CO+H2的平衡常數表達式Kp=

設起始充入的CH3OCH3物質的量為amol,從起始到平衡轉化CH3OCH3物質的量為xmol,用三段式:CH3OCH3CH4+CO+H2

n(起始)(mol) a 0 0 0

n(轉化)(mol) x x x x

n(平衡)(mol) a-x x x x

根據表中數據,起始時P50.0kPa,40min50minP相等,平衡時P=100kPa,=解得x=平衡時CH3OCH3、CH4、CO、H2物質的量都為mol,各物質物質的量分數都為,平衡時CH3OCH3、CH4、CO、H2的分壓都為100kPa=25kPa,該反應的平衡常數Kp===625kPa2

(5)根據裝置圖,該二甲醚燃料電池中電解質為酸性,在負極二甲醚發生氧化反應生成CO2,負極電極反應式為CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+設消耗二甲醚1kg,根據負極電極反應式,每消耗1molCH3OCH3轉移12mol電子根據法拉第電解定律計算Q=znF=1296500C/mol,電功W=UQ=1.2V1296500C/mol,根據換算公式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/燃料質量=1.2V1296500C/mol(3.6106J·kW-1·h-11kg=8.39kW·h·kg-1

練習冊系列答案
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容器編號

溫度(℃)

起始物質的量(mol)

平衡物質的量(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

回答下列問題:

1若容器中反應經10min達到平衡,則前10minY的平均反應速率v(Y)=___________。容器和容器中起始時X的反應速率v(X)___________v(X)(大于”“小于等于”)

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

3反應方程式中X的化學計量數p的取值為___________,容器X的平衡轉化率為___________。若起始時向容器中充入0.1molX0.15molY0.10molZ,則反應將向___________ (”)反應方向進行判斷理由是_____________________________________________________

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①Al2O3(s)+AlCl3(g)+3C(s)===3AlCl(g)+3CO(g) ΔH1=a kJ·mol1

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

③Al2O3(s)+3C(s)===2Al(l)+3CO(g) ΔH3

下列說法正確的是(  )

A. ΔH3<0

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

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