题目内容
【题目】DME(二甲醚、CH3OCH3)是一种重要的清洁能源,可作为柴油的理想替代燃料和民用燃料,被誉为“二十一世纪的新能源”。另外,二甲醚还被广泛用作致冷剂、气雾剂以及有机化工中间体。
(1)工业上一步法制二甲醚的生产流程如下:
在一定的温度(230-2800C)、压强(2-10MPa)和催化剂作用下,反应器中进行下列一些反应:
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)△H=—90.7kJ·mol—1
2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)△H=—23.5kJ·mol—1
CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H=—41.2kJ·mol—1
反应器中总反应式可表示为:3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g),则该反应的△H = 。
(2)CO2是大气中含量最高的一种温室气体,控制和治理CO2是解决温室效应的有效途径。目前,由CO2来合成二甲醚已取得了较大的进展,其化学反应是:2CO2(g)+6H2(g)CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H>0。判断该反应在一定条件下,体积恒定的密闭容器中是否达到化学平衡状态的依据是 。
A.容器中密度不变 B.容器内压强保持不变
C.v(CO2)︰v(H2)=1︰3 D.单位时间内消耗2molCO2,同时消耗1mol二甲醚
(3)二甲醚也可以通过CH3OH分子间脱水制得2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g) △H = —23.5kJ·mol—1 ,在T1℃,恒容密闭容器中建立上述平衡,体系中各组分浓度随时间变化如图所示。
T1℃时,若改变起始浓度,某时刻各组分浓度依次为:C(CH3OH)=0.4mol/L 、C(H2O)=0.6 mol/L、C(CH3OCH3)=
1.2 mol/L,此时正、逆反应速率的大小:V正_______V逆(填“>”、“<”、或“=”)。
(4)如图为二甲醚燃料电池的工作原理示意图。请回答下列问题:
①A电极是 极。
②B电极上发生的电极反应式是 。
③若燃料电池中通入二甲醚(沸点为-24.9 ℃)的速率为1.12L/min(标准状况),以该燃料电池作为电源电解2 mol·L—1CuSO4溶液500mL,则通电30秒钟后理论上在阴极可析出金属铜 g(假设整个过程中,能量利用率为75%)。
【答案】(1)-246.1kJ/mol;(2)B、D;(3)>;
(4)①正;②CH3OCH3+3H2O-12e—=2CO2+12H+;③7.2
【解析】
试题分析:(1)已知①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)△H=—90.7kJ·mol—1
②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)△H=—23.5kJ·mol—1
③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)△H=—41.2kJ·mol—1
根据盖斯定律:①×2+②+③得反应:3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)的△H =-246.1 kJ/mol。
(2)A.该反应在体积恒定的密闭容器中进行,容器内气体的质量保持不变,容器中密度不随反应的进行而变化,密度不变,不能说明反应达到平衡状态,错误;B.该反应正向为气体物质的量减小的反应,随着反应的进行,容器内压强逐渐减小,当压强保持不变时反应达到平衡状态,正确;C.v(CO2)︰v(H2)=1︰3 ,没有明确正、逆反应速率,不能说明反应达到平衡状态,错误;D.单位时间内消耗2molCO2,同时消耗1mol二甲醚,正、逆反应速率相等,反应达到平衡状态,正确,选BD。
(3)根据图像知在T1℃,恒容密闭容器中反应:2CH3OH(g) CH3OCH3(g)+H2O(g)达到平衡时,c(CH3OH)=0.4mol/L,c(H2O)=0.8mol/L,c(CH3OCH3)=1.0 mol/L,则K= c(H2O) c(CH3OCH3)/ c2(CH3OH)=5,若改变起始浓度,某时刻各组分浓度依次为:c(CH3OH)=0.4mol/L 、c(H2O)=0.6 mol/L、c(CH3OCH3)=1.2 mol/L,Q= c(H2O) c(CH3OCH3)/ c2(CH3OH)=4.5,Q<K,反应向正反应进行,v (正)>v (逆)。
(4)①原电池中,阳离子移向电源的正极,根据氢离子移动方向知,A为燃料电池正极;②B为燃料电池的负极,二甲醚在该电极上发生氧化反应,电极反应式为CH3OCH3 + 3H2O -12e—= 2CO2 + 12H+;③若燃料电池中通入二甲醚(沸点为-24.9 ℃)的速率为1.12L/min(标准状况),通电30秒钟后,发生反应的二甲醚的物质的量为0.025mol,结合B极电极反应式知转移的电子为0.025mol×12=0.3mol,整个过程中,能量利用率为75%,用于电解硫酸铜溶液转移的电子为0.3mol×75%=0.225mol,根据电极反应式:Cu2++2e-=Cu知阴极析出铜的物质的量为0.1125mol,质量为以该燃料电池作为0.1125mol×64g/mol=7.2g。
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