Question

【題目】二甲醚主要用于替代汽車燃油、制氫及用于燃料電池原料。 回答下列問題

⑴二甲醚在加熱條件下能發(fā)生分解：（CH3）2O（g）→CH4（g）+H2（g）+CO（g），在某溫度壓強下測定其動力學數(shù)據(jù)如下：

t/s	0	200	400	600	800
c［（CH3）2O]/mol·L-1	0.01000	0.00916	0.00839	0.00768	0.00702

0～800s 的二甲醚平均反應(yīng)速率為__________________ 。

⑵一種“直接二甲醚燃料電池”結(jié)構(gòu)如下圖所示，電解質(zhì)為強酸溶液。電池工作時，能量轉(zhuǎn)化方式為______，負極的電極反應(yīng)式為 ____。

⑶二甲醚與水蒸氣重整制 H2，相同投料比及流速時，單位時間內(nèi) H2 產(chǎn)率與催化劑及溫度下關(guān)系如下圖 所示，適宜的催化劑是______（選填 a、b、c）及適宜的溫度是____ 。

⑷工業(yè)中用 CO 和 H2 為原料可制取二甲醚，在 250℃、5MPa 及催化劑作用下，在反應(yīng)器中合成。

a：3CO（g）+3H2（g） CH3OCH3（g）+CO2（g） K1

b：2CO（g）+4H2（g） CH3OCH3（g）+H2O（g） K2

c：CO（g）+2H2（g） CH3OH（g）

已知：投料比 n（H2）/n（CO2）與原料氣轉(zhuǎn)化率的關(guān)系如下圖 所示。

①最佳 n（H2）/n（CO）比為_________________ （填圖中數(shù)字）。

②同一溫度下，CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g）平衡常數(shù)為 K3，則 K3=__________用含 K1、K2 代數(shù)式表示）。

⑸已知反應(yīng) CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g）。一定條件下，向體積為 1L 的密閉容器中充入 1molCO2和 3molH2，測得 3min 時υ（H2）=0.5mol/L·min，10min 時達到平衡，平衡時，CO2 轉(zhuǎn)化率為 75%，在下圖中 畫出 CO2 和 CH3OH（g）的濃度隨時間變化曲線________。

Answer 1

【答案】3.725×10-6mol·L-1·s-1 化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?/span> CH3OCH3+3H2O-12e-===2CO2+12H+ c 450℃ 1.0 K1/K2

【解析】

(1)平均反應(yīng)速率就是反應(yīng)速率，指單位時間內(nèi)的濃度變化值，據(jù)此計算；

(2)原電池中，負極失去電子，則負極的反應(yīng)為CH3OCH3→CO2；

(3)氫氣的產(chǎn)率隨著溫度升高在不斷升高，a、b、c三種催化劑的催化效率在450°C時，c催化劑產(chǎn)生的氫氣產(chǎn)率最高；

(4)根據(jù)曲線a，可知在投料比1.0時，CO與H2總轉(zhuǎn)化率最大，由a-b可得到CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，計算其平衡常數(shù)；

(3)根據(jù)3min時，氫氣的速率，計算出反應(yīng)消耗的氫氣的物質(zhì)的量濃度，根據(jù)反應(yīng)的方程式和消耗氫氣的物質(zhì)的量濃度，可計算消耗的二氧化碳的濃度，生成甲醇的物質(zhì)量濃度，達到平衡時，根據(jù)二氧化碳的轉(zhuǎn)化率，計算達到平衡時二氧化碳的物質(zhì)的量濃度，甲醇的物質(zhì)的量濃度，畫出CO2和CH3OH(g)的濃度隨時間的變化曲線。

(1)由題干信息可得，故答案為：3.725×10-6mol·L-1·s-1；

(2)該裝置為燃料電池，將化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，原電池中負極失去電子，所以負極電極反應(yīng)式是CH3OCH3+3H2O-12e-===2CO2+12H+，故答案為：化學能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽?/span>CH3OCH3+3H2O-12e-===2CO2+12H+；

(3)根據(jù)圖像分析可知，無論用何種催化劑均是溫度越高，產(chǎn)率越高，但在450°C，用催化劑c時，H2產(chǎn)率超過70%，具有實際意義，故答案為：c；450℃；

(4)由圖像知，a曲線在投料比1.0時，CO與H2總轉(zhuǎn)化率最大；可由反應(yīng)a-b得到反應(yīng)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，平衡常數(shù)K3為兩者之商=K1/K2，故答案為：1.0；K1/K2；

(5)3min時，H2濃度減少0.5mol·L-1·min-1×3min=1.5mol·L-1，則CO2的濃度減少0.5 mol·L-1，此時c(CO2)=0.5 mol·L-1，生成c(CH3OH)=0.5 mol·L-1，達到平衡時，c(CO2)=0.25 mol·L-1，c(CH3OH)=0.75 mol·L-1，畫出CO2和CH3OH(g)的濃度隨時間的變化曲線為，故答案為：。