题目内容

1.二甲醚(DME)被誉为“21世纪的清洁燃料”.由合成气制备二甲醚的主要原理如下:
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
回答下列问题:

(1)则反应3H2(g)+3CO(g)?CH3OCH3(g)+CO2(g)的平衡常数表达式K=$\frac{c(C{H}_{3}OC{H}_{3})×c(C{O}_{2})}{{c}^{3}({H}_{2})×{c}^{3}(CO)}$.
(2)下列措施中,能提高(1)中CH3OCH3产率的有AC.
A.使用过量的CO          B.升高温度             C.增大压强
(3)反应③能提高CH3OCH3的产率,原因是反应消耗了H2O(g)有利于反应②正向移动;同时此反应生成了H2,有利于反应①正向移动.
(4)将合成气以n(H2)/n(CO)=2通入1L的反应器中,一定条件下发生反应:
4H2(g)+2CO(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g)△H,其CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图1所示,下列说法正确的是A.
A.△H<0                     B.P1<P2<P3
C.若在P3和316℃时,起始n(H2)/n(CO)=3,则达到平衡时,CO转化率小于50%
(5)采用一种新型的催化剂(主要成分是Cu-Mn的合金),利用CO和H2制备二甲醚(简称DMA).观察图2回答问题.催化剂中n(Mn)/n(Cu)约为2.0时最有利于二甲醚的合成.
(6)图3为绿色电“二甲醚燃料电池”的工作原理示意图,a电极的电极反应式为CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2↑+12H+.

分析 (1)化学平衡常数是指:一定温度下,可逆反应到达平衡时,生成物的浓度系数次幂之积与反应物的浓度系数次幂之积的比,固体、纯液体不需要在化学平衡常数中写出;
(2)已知①CO( g)+2H2(g)?CH3OH( g)△H1=-90.7kJ•mol-1,
②2CH30H(g)?CH30CH3(g)+H20(g)△H2=-23.5kJ•mol-1,
③CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g)△H3=-41.2kJ•mol-1,
根据盖斯定律,①×2+②+③得3CO(g)+3H2(g)?CH3OCH3(g)+CO2(g)△H=-246.1kJ•mol-1,
提高CH3OCH3产率,改变条件应使平衡正向移动,结合平衡移动原理分析解答;
(3)反应消耗了H2O(g)有利于反应②正向移动;同时此反应生成了H2,有利于反应①正向移动;
(4)A.由图可知,压强一定时,随温度升高CO的转化率减小,说明升高温度平衡逆向移动,则正反应为放热反应;
B.正反应为气体体积减小的反应,增大压强平衡正向移动,CO的转化率增大;
C.增大氢气的用量,平衡正向移动,CO的转化率增大;
(5)CO的转化率最大,生成二甲醚的选择性最大时最好;
(6)由质子交换膜中氢离子移动方向可知,a为负极,b为正极,负极发生氧化反应,甲醚在负极失去电子生成二氧化碳与氢离子.

解答 解:(1)3H2(g)+3CO(g)?CH3OCH3(g)+CO2(g)的平衡常数表达式K=$\frac{c(C{H}_{3}OC{H}_{3})×c(C{O}_{2})}{{c}^{3}({H}_{2})×{c}^{3}(CO)}$,
故答案为:$\frac{c(C{H}_{3}OC{H}_{3})×c(C{O}_{2})}{{c}^{3}({H}_{2})×{c}^{3}(CO)}$;
(2)已知①CO( g)+2H2(g)?CH3OH( g)△H1=-90.7kJ•mol-1,
②2CH30H(g)?CH30CH3(g)+H20(g)△H2=-23.5kJ•mol-1,
③CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g)△H3=-41.2kJ•mol-1,
根据盖斯定律,①×2+②+③得3CO(g)+3H2(g)?CH3OCH3(g)+CO2(g)△H=-246.1kJ•mol-1.
A.增大反应物的浓度平衡正移,所以使用过量的CO,能提高CH3OCH3产率,故A正确;
B.该反应为放热反应,升高温度平衡逆移,则CH3OCH3产率会降低,故B错误;
C.该反应正方向为体积减小的方向,所以增大压强平衡正移,能提高CH3OCH3产率,故C正确;
故答案为:AC;
(3)反应消耗了H2O(g)有利于反应②正向移动;同时此反应生成了H2,有利于反应①正向移动,故反应③能提高CH3OCH3的产率,
故答案为:反应消耗了H2O(g)有利于反应②正向移动;同时此反应生成了H2,有利于反应①正向移动;
(4)A.由图可知,压强一定时,随温度升高CO的转化率减小,说明升高温度平衡逆向移动,则正反应为放热反应,故△H<0,故A正确;
B.正反应为气体体积减小的反应,增大压强平衡正向移动,CO的转化率增大,所以P1>P2>P3,故B错误;
C.若在P3和316℃时,起始时$\frac{n({H}_{2})}{n(CO)}$=3,则增大了氢气的量,增大氢气的浓度,平衡正移,CO的转化率增大,所以CO转化率大于50%,故C错误;
故答案为:A;
(5)由图可知当催化剂中$\frac{n(Mn)}{n(Cu)}$约为2.0时,CO的转化率最大,生成二甲醚的最多,
故答案为:2.0;
(6)由质子交换膜中氢离子移动方向可知,a为负极,b为正极,负极发生氧化反应,甲醚在负极失去电子生成二氧化碳与氢离子,a电极的电极反应式为:CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2↑+12H+,
故答案为:CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2↑+12H+.

点评 本题考查化学平衡影响因素、化学平衡产生、化学平衡图象、盖斯定律应用、原电池等,题目涉及的知识点较多,综合性较强,(6)中注意根据示意图判断有氢离子生成,题目难中等.

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