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甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的新型燃料,它清洁、高效、具有优良的环保性能,甲醚是一种无色气体,具有轻微的醚香味,其燃烧热为1455kJ/mol,甲醚可作燃料电池的燃料.工业上用合成气(CO、H2)直接或间接制取甲醚.
(1)写出甲醚燃烧的热化学方程式
 

(2)已知H2(g)和C(s)的燃烧热分别是285.8kJ?mol-1、393.5kJ?mol-1;计算反应4C(s)+6H2(g)+O2(g)═2CH2OCH3(g)的反应热为
 

(3)以甲醚、空气、氢氧化钾溶液为原料,石墨为电极可构成燃料电池.该电池的负极反应式为
 
;从能量角度分析甲醚用作燃料电池与直接燃烧相比主要的优点是
 
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(4)用(3)中的燃料电池为电源,以石墨为电极电解500mL滴有酚酞的:NaCl溶液,装置如图所示:
①请写出电解过程中Y电极附近观察到的现象
 

②当燃料电池消耗2.8LO2(标准状况下)时,计算此时:NaCl溶液的pH=
 
(假设溶液的体积不变,气体全部从溶液中逸出).
分析:(1)依据燃烧热概念含义是1mol甲醚完全燃烧生成稳定氧化物二氧化碳和液态水放出的热量为燃烧热,结合书写方法写出热化学方程式;
(2)依据燃烧热写出热化学方程式,结合盖斯定律计算得到所需热化学方程式和对应焓变;
(3)原电池负极发生氧化反应,甲醚在负极放电,碱性条件下生成碳酸根与水,原电池反应比直接燃烧能量转化率高;
(4)①惰性电极电解饱和食盐水,Y电极是阳极,溶液中氯离子失电子生成氯气;
②依据原电池和电解池中存在的电子守恒结合电极反应计算溶液PH;
解答:解:(1)甲醚的燃烧热为1455kJ/mol,则燃烧方式的热化学方程式为:CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H1=-1455kJ/mol;
故答案为:CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H1=-1455kJ/mol;
(2)H2(g)和C(s)的燃烧热分别是285.8kJ?mol-1、393.5kJ?mol-1;热化学方程式
①H2(g)+
1
2
O2(g)=H2O(l)△H=-285.8KJ/mol;
②C(s)+O2(g)=CO2(g)△H=-393.5KJ/mol;
③CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H1=-1455kJ/mol;
依据盖斯定律计算①×3+②×2-③得到反应热化学方程式为:2C(s)+3H2(g)+
1
2
O2(g)═CH2OCH3(g):△H=-169.4kJ/mol;
4C(s)+6H2(g)+O2(g)═2CH2OCH3(g):△H=-378.8kJ/mol;
故答案为:△H=-378.8kJ/mol;
(3)原电池负极发生氧化反应,甲醚在负极放电,碱性条件下生成碳酸根与水,电极反应式为:CH3OCH3+16OH--12e-=2CO32-+11H2O;从能量角度分析甲醚用作燃料电池与直接燃烧相比主要的优点是能量利用和转化率高;
故答案为:CH3OCH3+16OH-12e-=2CO2-3+11H2O,燃料电池的能量转换效率高;
(4)①电解池中Y电极为阳极,溶液中氯离子失电子发生氧化反应生成氯气,现象是冒气泡,上部溶液呈黄绿色;
故答案为:Y电极附近溶液中有气体产生,上部分呈黄绿色;
②当燃料电池消耗2.8LO2(标准状况下)物质的量=
2.8L
22.4L/mol
=0.125mol,电极反应为O2+2H2O+4e-=4OH-,电子转移为0.5mol,电解池中 阳极电极反应为4OH--4e-=2H2O+O2↑,依据电子守恒溶液中减少氢氧根离子物质的量和增加的氢离子物质的量守恒,则溶液中氢离子浓度=
0.5mol
0.5L
=1mol/L,此时NaCl溶液的pH=14;
故答案为:14;
点评:本题考查了热化学方程式的书写方法和燃烧热概念,盖斯定律的计算应用,原电池反应、电解池反应原理的应用判断,掌握实质是解题关键,题目难度中等.
练习册系列答案
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二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,可作为一种新型能源.由合成气(组成为H2、CO和少量的CO2)直接制备二甲醚,其中的主要过程包括以下四个反应:
甲醇合成反应:
(Ⅰ)CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)△H1=-90.1kJ?mol-1
(Ⅱ)CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H2=-49.0kJ?mol-1
水煤气变换反应:
(Ⅲ)CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2 (g)△H3=-41.1kJ?mol-1
二甲醚合成反应:
(Ⅳ)2CH3OH(g)═CH3OCH3(g)+H2O(g)△H4=-24.5kJ?mol-1
回答下列问题:
(1)Al2O3是合成气直接制备二甲醚反应催化剂的主要成分之一.工业上从铝土矿制备较高纯度Al2O3的主要工艺流程是
Al2O3(铝土矿)+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4,NaAl(OH)4+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3,2Al(OH)3
  △  
.
 
Al2O3+3H2O
Al2O3(铝土矿)+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4,NaAl(OH)4+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3,2Al(OH)3
  △  
.
 
Al2O3+3H2O
(以化学方程式表示).
(2)分析二甲醚合成反应(Ⅳ)对于CO转化率的影响
消耗甲醇,促进甲醇合成反应(Ⅰ)平衡右移,CO转化率增大;生成的H2O,通过水煤气变换反应(Ⅲ)消耗部分CO
消耗甲醇,促进甲醇合成反应(Ⅰ)平衡右移,CO转化率增大;生成的H2O,通过水煤气变换反应(Ⅲ)消耗部分CO

(3)由H2和CO直接制备二甲醚(另一产物为水蒸气)的热化学方程式为
2CO(g)+4H2(g)=CH3OCH3+H2O(g)△H=-204.7kJ?mol-1
2CO(g)+4H2(g)=CH3OCH3+H2O(g)△H=-204.7kJ?mol-1
.根据化学反应原理,分析增加压强对直接制备二甲醚反应的影响
该反应分子数减少,压强升高使平衡右移,CO和H2转化率增大,CH3OCH3产率增加.压强升高使CO和H2浓度增加,反应速率增大
该反应分子数减少,压强升高使平衡右移,CO和H2转化率增大,CH3OCH3产率增加.压强升高使CO和H2浓度增加,反应速率增大

(4)有研究者在催化剂(含Cu-Zn-Al-O和Al2O3)、压强为5.0MPa的条件下,由H2和CO直接制备二甲醚,结果如图所示.其中CO转化率随温度升高而降低的原因是
反应放热,温度升高,平衡左移
反应放热,温度升高,平衡左移

(5)二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度等于甲醇直接燃料电池(5.93kW?h?kg-1).若电解质为酸性,二甲醚直接燃料电池的负极反应为
CH3OCH3+3H2O=2CO2+12H++12e-
CH3OCH3+3H2O=2CO2+12H++12e-
,一个二甲醚分子经过电化学氧化,可以产生
12
12
个电子的能量;该电池的理论输出电压为1.20V,能量密度E=
1.2V×
1000g
46g/mol
×12×96500C/mol
1Kg
3.6×106J?kw-1?h-1
=8.39KW?h?kg-1
1.2V×
1000g
46g/mol
×12×96500C/mol
1Kg
3.6×106J?kw-1?h-1
=8.39KW?h?kg-1
(列式计算.能量密度=电池输出电能/燃料质量,1kW?h=3.6×106J).
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).
(2012?丹东模拟)二甲醚(CH3OCH3)被称为21世纪的新型燃料,在未来可能替代汽油、液化气、煤气等并具有优良的环保性能.工业制备二甲醚在催化反应室中(压力2.0~10.0Mpa,温度230~280℃)进行下列反应:
①CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)△H1=-90.7kJ?mol-1
②2CH3OH(g)═CH3OCH3(g)+H2O(g)△H2=-23.5kJ?mol-1
③CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2(g)△H3=-41.2kJ?mol-1
(1)若要增大反应①中H2的转化率,在其它条件不变的情况下可以采取的措施为
B C
B C

A.加入某物质作催化剂
B.加入一定量CO
C.反应温度降低
D.增大容器体积
(2)在某温度下,若反应①的起始浓度分别为:c(CO)=1mol/L,c(H2)=2.4mol/L,5min后达到平衡,CO的转化率为50%,则5min内CO的平均反应速率为
0.1mol/(L?min)
0.1mol/(L?min)
;若反应物的起始浓度分别为:c(CO)=4mol/L,c(H2)=a mol/L;达到平衡后,c(CH3OH)=2mol/L,a=
5.4
5.4
mol/L.
(3)催化反应室中总反应3CO(g)+3H2(g)═CH3OCH3(g)+CO2(g)的△H=
-246.1 kJ?mol-1
-246.1 kJ?mol-1
;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“=”).
(4)二甲醚的燃烧热为1455kJ?mol-1,则二甲醚燃烧的热化学方程式为
CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1455 kJ?mol-1
CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l)△H=-1455 kJ?mol-1

(5)“二甲醚燃料电池”是一种绿色电源,其工作原理如图所示.写出a电极上发生的电极反应式
CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+
CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+

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