题目内容

二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的新型能源,是一种高效、清洁能源.
Ⅰ.工业制备二甲醚的生产流程如下:
催化反应室中(压力2.0~10.0Mpa,温度230~280℃)发生如下反应:
①CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H=-90.7kJ/mol
②2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g)△H=-23.5kJ/mol
③CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g)△H=-41.2kJ/mol
(1)二甲醚也可以通过天然气和CO2合成制得,该反应的化学方程式为
3CH4+CO2→2CH3OCH3
3CH4+CO2→2CH3OCH3

(2)催化反应室中总反应3CO(g)+3H2(g)?CH3OCH3(g)+CO2(g)的△H=
-246.1kJ/mol
-246.1kJ/mol
,830℃时反应③的K=1.0,则在催化反应室中反应③的K
1.0(填“>”、“<”或“=”).
(3)在温度相同的3个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒压,发生反应②,测得反应达到平衡时的有关数据如下.
容器
反应物投入量 1mol CH3OCH3、1mol H2O 2mol CH3OH 1mol CH3OH
CH3OH的浓度(mol/L) c1 c2 c3
反应的能量变化 吸收a kJ 放出b kJ 放出c kJ
平衡时体积(L) V1 V2 V3
反应物转化率 α 1 α 2 α 3
下列说法正确的是
A、B、C
A、B、C
.(填字母序号)
A.a+2c=23.5        B.α12=1        C.V1>V3       D.c1=2c3
(4)上述生产流程中,可以循环使用的物质有
甲醇和水、CO和H2
甲醇和水、CO和H2

Ⅱ.用二甲醚-空气碱性(KOH)燃料电池作电源电解精炼粗铜(如图),在接通电路一段时间纯Cu质量增加3.2g.

(5)请写出燃料电池中的负极反应式:
CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O
CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O

(6)燃料电池正极消耗标准状况下空气的体积是
2.8L
2.8L
(空气中O2体积分数以20%计算).
分析:(1)根据题意,可以通过天然气和CO2合成二甲醚(CH3OCH3),写出反应的化学方程式即可;
(2)根据盖斯定律结合已知反应来书写热化学方程式;对于放热反应,温度越低,K越大;
(3)恒温恒压下,甲、乙、丙到达平衡为等效平衡,对应各组分的含量完全相同、浓度相同,其中甲、乙对应各组分的物质的量相等,容器的体积相同,乙、丙转化率相同,乙中物质的量为丙中对应各组分的2倍,据此结合选项计算判断;
(4)根据实际流程确定可以循环使用的物质;
(5)燃料电池中,负极上是燃料发生失电子的氧化反应;
(6)燃料电池正极是氧气发生得电子的还原反应,根据氧气和空气之间的组成关系来回答.
解答:解:(1)通过天然气和CO2合成二甲醚(CH3OCH3),得出反应的化学方程式3CH4+CO2→2CH3OCH3,故答案为:3CH4+CO2→2CH3OCH3
(2)已知:①CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H=-90.7kJ/mol
②2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g)△H=-23.5kJ/mol
③CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g)△H=-41.2kJ/mol,
反应3CO(g)+3H2(g)?CH3OCH3(g)+CO2(g)可以根据①×2+③+②得到,得出此反应的△H=-246.1kJ/mol,反应③是放热反应,对于放热反应,温度越低,K越大,所以大于1,故答案为:-246.1kJ/mol;>;
(3)A.恒温恒压下,甲、丙为等效平衡,对应各组分的含量完全相同、浓度相同,令平衡时甲中甲醚为nmol,则丙中甲醚为0.5nmol,甲中吸收的热量为(1-n)×23.5kJ=akJ,丙中放出的热量为0.5n×23.5kJ=ckJ,整理得a+2c=23.5,故A正确;
B.恒温恒压下,甲、乙到达平衡为等效平衡,对应各组分的含量完全相同,对应各组分的物质的量相等,令甲醚的转化率为α1,则平衡时甲醚的物质的量为(1-α1)mol,乙中平衡时甲醚的物质的量为2α2mol×
1
2
2mol,故(1-α1)=α2,整理得α12=1,故B正确;
C.甲容器投入的起始量和乙投入的起始量相当,乙容器反应物投入2molCH3OH、丙容器反应物投入1molCH3OH在保持恒温、恒压情况下是等效平衡,应存在V1=V2=2V3,故C正确;
D.恒温恒压下,甲、乙、丙到达平衡为等效平衡,对应各组分的含量完全相同、浓度相同,c1=c3,故D错误;
故选A、B、C;
(4)上述生产流程中,甲醇和水、CO和H2是可以循环使用的物质,故答案为:甲醇和水、CO和H2
(5)燃料电池中,负极上是燃料甲醚发生失电子的氧化反应,在碱性环境下,发生的反应为:CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O,故答案为:CH3OCH3-12e-+16OH-=2CO32-+11H2O;
(6)燃料电池正极上发生的电极反应为:O2+2H2O+4e-=4OH-,纯Cu是阴极,该极上析出金属铜,当质量增加3.2g,转移电子为0.1mol,此时正极上消耗氧气的物质的量是0.025mol,所以需要空气的体积是0.025mol×5×22.4L/mol=2.8L,故答案为:2.8L.
点评:本题涉化学反应原理中的热化学、电化学以及化学平衡知识有关的综合考查题,要求学生具有分析和解决问题的能力,难度大.
练习册系列答案
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(14分)二甲醚(CH3OCH。)和甲醇(CH3OH)被称为21世纪的新型燃料,具有清洁、高效等优良的性能。以CH4和H2O为原料制备二甲醚和甲醇的工业流程如下:

    (1)催化反应室B中CO与H2合成二甲醚的化学方程式为           .

    (2)催化反应室A中发生的反应为:

    CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)……(I)、CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)……(Ⅱ)催化反应室C中发生的反应为:

    CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)……(Ⅲ)、CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)……(Ⅳ)

    ①已知:原子利用率=×100%,试求反应(Ⅳ)的原子利用率为       

    ②反应(Ⅳ)的△S         0(填“>”、“=”或“<”)。

    ③在压强为5MPa,体积为VL的反应室c中,amol CO与20mol H2在催化剂作用下发生反应(Ⅲ)生成甲醇,CO的转化率与温度的关系如右图。则该反应的△H      0(填“>”、“=”或“<”)。300℃时该反应的平衡常数K=         (用含字母的代数式表示)。

   

(3)我国某科研所提供一种碱性“直接二甲醚燃料电池”。

    该燃料电池负极的电极反应式为:

    CH3OCH3一12e+16OH=2CO2-3+11H2O。有人提出了一种利用氯碱工业产品治理含二氧化硫(体积分数为x)废气的方法如下:

    ①将含SO2的废气通人电解饱和食盐水所得溶液中,得NaHSO3溶液;

    ②将电解饱和食盐水所得气体反应后制得盐酸;

    ③将盐酸加入NaHSO3溶液中得SO2气体回收。

    用上述碱性“直接二甲醚燃料电池”电解食盐水来处理标准状况下VL的废气,计算消耗二甲醚的质量。

 

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    CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)……(Ⅲ)、CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)……(Ⅳ)

    ①已知:原子利用率=×100%,试求反应(Ⅳ)的原子利用率为       

    ②反应(Ⅳ)的△S         0(填“>”、“=”或“<”)。

    ③在压强为5MPa,体积为VL的反应室c中,amol CO与20mol H2在催化剂作用下发生反应(Ⅲ)生成甲醇,CO的转化率与温度的关系如右图。则该反应的△H     0(填“>”、“=”或“<”)。300℃时该反应的平衡常数K=        (用含字母的代数式表示)。

   

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    ②将电解饱和食盐水所得气体反应后制得盐酸;

    ③将盐酸加入NaHSO3溶液中得SO2气体回收。

    用上述碱性“直接二甲醚燃料电池”电解食盐水来处理标准状况下VL的废气,计算消耗二甲醚的质量。

 

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CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)……(Ⅲ)、CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)……(Ⅳ)
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②反应(Ⅳ)的△S         0(填“>”、“=”或“<”)。
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用上述碱性“直接二甲醚燃料电池”电解食盐水来处理标准状况下VL的废气,计算消耗二甲醚的质量。

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