Question

【題目】二甲醚是一種重要的清潔燃料，可替代氟氯代烷作制冷劑，利用水煤氣合成二甲醚的三步反應(yīng)如下：

2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g） ΔH=-90.8 kJ·mol-1

2CH3OH（g）=CH3OCH3（g）+H2O（g） ΔH=-23.5 kJ·mol-1

CO（g）+H2O（g）=CO2（g）+H2（g） ΔH=-41.3 kJ·mol-1

請(qǐng)回答下列問題。

(1)由 H2和CO直接制備二甲醚的總反應(yīng)：3H2（g）+3CO（g）=CH3OCH3（g）+CO2（g）的ΔH=________。一定條件下的密閉容器中，該總反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施有________（填字母代號(hào)）。

a．高溫高壓 b．加入催化劑 c．分離出CO2

d．增加CO的量 e．分離出二甲醚

(2)某溫度下反應(yīng)2CH3OH（g）CH3OCH3（g）+H2O（g）的平衡常數(shù)為400。此溫度下，在密閉容器中加入CH3OH，反應(yīng)到某時(shí)刻測(cè)得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/（mol·L-1）	0.44	0.6	0.6

①比較此時(shí)正、逆反應(yīng)速率的大�。�v正___（填“＞”“＜”或“=”）v逆。

②若加入CH3OH后，經(jīng)10 min反應(yīng)達(dá)到平衡，此時(shí)c（CH3OH）=________，該時(shí)間段內(nèi)v（CH3OH）=________。

(3)有研究者在催化劑（含Cu—Zn—Al—O和Al2O3）、壓強(qiáng)為5.0 MPa的條件下，在相同時(shí)間內(nèi)測(cè)得CH3OCH3產(chǎn)率隨溫度變化的曲線如圖甲所示。其中CH3OCH3產(chǎn)率隨溫度升高而降低的原因可能是_____________________________________。

(4)二甲醚直接燃料電池具有啟動(dòng)快、效率高、能量密度高等優(yōu)點(diǎn)，可用于電化學(xué)降解治理水中硝酸鹽的污染。電化學(xué)降解NO3-的原理如圖乙所示。若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)式為____________________；若電解過程中轉(zhuǎn)移了2 mol電子，則陽極室減少的質(zhì)量為_________g。

Answer 1

【答案】-246.4 kJ·mol-1 c、e ＞ 0.04 mol·L-1 0.04 mol·L-1·min-1 290℃之后，反應(yīng)達(dá)平衡，合成二甲醚的正反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡向逆向移動(dòng)產(chǎn)率降低（或溫度升高，催化劑失活） CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2↑+12H+ 18

【解析】

（1）已知：①2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g） ΔH=-90.8 kJ·mol-1

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

③CO（g）+H2O（g）=CO2（g）+H2（g） ΔH=-41.3 kJ·mol-1

根據(jù)蓋斯定律，①×2+②+③即得到目標(biāo)方程式的反應(yīng)熱ΔH4=2ΔH1+ΔH2+ΔH3=-246.4 kJ·mol-1；若提高CO的轉(zhuǎn)化率，則需要減少生成物的濃度、增大H2量、降低溫度、增大壓強(qiáng)等方法，故c、e正確；

（2）該狀態(tài)下的濃度商Q==1.86＜400，說明平衡需要向正向移動(dòng)，此時(shí)正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率；設(shè)10min內(nèi)c(CH3OH)的減少量為2x mol/L，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)式

K=，解得x=0.2，故10min內(nèi)CH3OH濃度減小0.4mol/L，此時(shí)c(CH3OH)=0.04mol/L；這段時(shí)間內(nèi)v(CH3OH)==0.04 mol·L-1·min-1；

（3）升高溫度二甲醚的產(chǎn)率升高，但是當(dāng)溫度超過290℃的時(shí)候，產(chǎn)率下降，原因可能是290℃之后，反應(yīng)達(dá)平衡，合成二甲醚的正反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡向逆向移動(dòng)產(chǎn)率降低；

（4）二甲醚直接燃料電池的總反應(yīng)是：CH3OCH3+3O2=2CO2+3H2O，因電解質(zhì)溶液是酸性溶液，故負(fù)極反應(yīng)式為CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2↑+12H+；電解過程中Ag-Pt電極的電極方程式為2NO3-+10e-+12H+=N2↑+6H2O，Pt電極的電極方程式為2H2O-4e-=4H++O2↑，電解過程中轉(zhuǎn)移2mol電子，陽極需要消耗18g水。