Question

【題目】二甲醚(CH3OCH3)是一種新興化工原料，具有甲基化反應性能。

l.二甲醚的生產(chǎn)：

二甲醚的生產(chǎn)原理之一是利用甲醇脫水成二甲醚，化學方程式如下：

反應i 2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H1

(1)已知：甲醇、二甲醚的氣態(tài)標準燃燒熱分別為－761.5kJ·mol－1、－1455.2kJ·mol－1，且H2O(g)=H2O(1) △H=－44.0kJ·mol－1。

反應i的△H1=___________ kJ·mol－1。

(2)反應i中甲醇轉化率、二甲醚選擇性的百分率與不同催化劑的關系如圖1所示，生產(chǎn)時，選擇的最佳催化劑是___________。

(3)選定催化劑后，測得平衡時的甲醇轉化率與溫度的關系如圖2所示。經(jīng)研究產(chǎn)物的典型色譜圖發(fā)現(xiàn)該過程主要存在的副反應為：

反應ii 2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g) △H2=－29.1kJ·mol－1

①工業(yè)上生產(chǎn)二甲醚的溫度通常在270－300℃，高于330℃之后，甲醇轉化率下降，根據(jù)化學平衡移動原理分析原因是______________________；根據(jù)化學反應速率變化分析原因是______________________。

②某溫度下，以CH3OH(g)為原料，平衡時各物質的分壓數(shù)據(jù)如下表：

則反應i中，CH3OH(g)的平衡轉化率α=___________，反應i的平衡常數(shù)Kp=__________(用平衡分壓代替平衡濃度計算；結果保留兩位有效數(shù)字)

Ⅱ.二甲醚的應用：

(4)圖3為綠色電源“直接二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖：

①該電池的負極反應式為：______________________；

②若串聯(lián)該燃料電池電解硫酸鈉溶液，消耗4.6g二甲醚后總共可在電解池兩極收集到13.44L(標況)氣體，該套裝置的能量利用率為___________。(保留3位有效數(shù)字)

Answer 1

【答案】-23.8 GiSNL-108 該反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，轉化率下降 溫度升高，催化劑失活，對二甲醚的選擇性下降，轉化率下降（回答“溫度升高，催化劑失活，副反應增多”也得分） 75% 3.6 CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+ 66.7%

【解析】

(1)已知：①CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=－761.5kJ·mol－1，

②CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l) △H=－1455.2kJ·mol－1，

③H2O(g)=H2O(1) △H=－44.0kJ·mol－1，

根據(jù)蓋斯定律：①2- ②-③計算；

(2)由圖1可知，反應i中甲醇轉化率、二甲醚選擇性的百分率以催化劑GiSNL-108為最佳；

(3)①工業(yè)上生產(chǎn)二甲醚的反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，轉化率下降；從化學反應速率變化分析，溫度升高，催化劑失活，對二甲醚的選擇性下降，轉化率下降；

②用平衡分壓代替平衡濃度列出三行式，找出起始時CH3OH的總量以及轉化為二甲醚的量，計算轉化率；用平衡分壓代替平衡濃度，根據(jù)Kp=計算平衡常數(shù)；

(4)①原電池負極發(fā)生氧化反應，由圖可知，溶液為酸性條件，二甲醚失電子生成二氧化碳，寫出電極反應式；

②根據(jù)能量利用率=100%計算。

(1)已知：①CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=－761.5kJ·mol－1，

②CH3OCH3(g)+3O2(g)=2CO2(g)+3H2O(l) △H=－1455.2kJ·mol－1，

③H2O(g)=H2O(1) △H=－44.0kJ·mol－1，

根據(jù)蓋斯定律：①2- ②-③得：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) 的△H1=（－761.5kJ·mol－1）-（－1455.2kJ·mol－1）-（－44.0kJ·mol－1）= -23.8kJ·mol－1；

因此，本題正確答案為：-23.8；

(2) 由圖1可知，反應i中甲醇轉化率、二甲醚選擇性的百分率以催化劑GiSNL-108為最佳；

因此，本題正確答案為：GiSNL-108；

(3)①工業(yè)上生產(chǎn)二甲醚的反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，轉化率下降，所以高于330℃之后，甲醇轉化率下降；從化學反應速率變化分析，溫度升高，催化劑失活，對二甲醚的選擇性下降，轉化率下降；

②用平衡分壓代替平衡濃度列出三行式：

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

起始量 0.736 0 0

轉化量 0.576 0.288 0.288

平衡量 0.16 0.288

由方程式2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)可知轉化為C2H4的CH3OH的量為0.0162=0.032，

所以起始時CH3OH的總量為0.736+0.032=0.768，其他條件相同時，壓強之比等于物質的量之比，

則反應i中，CH3OH(g)的平衡轉化率α=100%=75%，

由方程式2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)可知反應ii轉化為H2O的量為0.0162=0.032，

則平衡時H2O(g)平衡分壓為：0.288MPa+0.032 MPa=0.32 MPa，

反應i的平衡常數(shù)Kp===3.6，

因此，本題正確答案為：該反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，轉化率下降；溫度升高，催化劑失活，對二甲醚的選擇性下降，轉化率下降；75%；3.6；

(4)①原電池負極發(fā)生氧化反應，由圖可知，溶液為酸性條件，二甲醚失電子生成二氧化碳，電極反應式為：CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+；

②電解硫酸鈉溶液兩極生成氫氣和氧氣，若兩極收集到13.44L(標況)氣體，生成氣體的物質的量為=0.6mol，生成的氫氣和氧氣的體積比為2:1，則陰極產(chǎn)生0.4molH2，陽極產(chǎn)生0.2molO2，電路中轉移電子為0.2mol4=0.8mol；

由燃料電池電極反應CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+可知，消耗4.6g二甲醚轉移電子為12=1.2mol，

所以能量利用率為100%=66.7%。

因此，本題正確答案為：CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+；66.7%。