Question

【题目】二甲醚主要用于替代汽车燃油、制氢及用于燃料电池原料。 回答下列问题

⑴二甲醚在加热条件下能发生分解：（CH3）2O（g）→CH4（g）+H2（g）+CO（g），在某温度压强下测定其动力学数据如下：

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 的二甲醚平均反应速率为__________________ 。

⑵一种“直接二甲醚燃料电池”结构如下图所示，电解质为强酸溶液。电池工作时，能量转化方式为______，负极的电极反应式为 ____。

⑶二甲醚与水蒸气重整制 H2，相同投料比及流速时，单位时间内 H2 产率与催化剂及温度下关系如下图 所示，适宜的催化剂是______（选填 a、b、c）及适宜的温度是____ 。

⑷工业中用 CO 和 H2 为原料可制取二甲醚，在 250℃、5MPa 及催化剂作用下，在反应器中合成。

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）与原料气转化率的关系如下图 所示。

①最佳 n（H2）/n（CO）比为_________________ （填图中数字）。

②同一温度下，CO（g）+H2O（g） CO2（g）+H2（g）平衡常数为 K3，则 K3=__________用含 K1、K2 代数式表示）。

⑸已知反应 CO2（g）+3H2（g） CH3OH（g）+H2O（g）。一定条件下，向体积为 1L 的密闭容器中充入 1molCO2和 3molH2，测得 3min 时υ（H2）=0.5mol/L·min，10min 时达到平衡，平衡时，CO2 转化率为 75%，在下图中 画出 CO2 和 CH3OH（g）的浓度随时间变化曲线________。

Answer 1

【答案】3.725×10-6mol·L-1·s-1 化学能转变为电能 CH3OCH3+3H2O-12e-===2CO2+12H+ c 450℃ 1.0 K1/K2

【解析】

(1)平均反应速率就是反应速率，指单位时间内的浓度变化值，据此计算；

(2)原电池中，负极失去电子，则负极的反应为CH3OCH3→CO2；

(3)氢气的产率随着温度升高在不断升高，a、b、c三种催化剂的催化效率在450°C时，c催化剂产生的氢气产率最高；

(4)根据曲线a，可知在投料比1.0时，CO与H2总转化率最大，由a-b可得到CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，计算其平衡常数；

(3)根据3min时，氢气的速率，计算出反应消耗的氢气的物质的量浓度，根据反应的方程式和消耗氢气的物质的量浓度，可计算消耗的二氧化碳的浓度，生成甲醇的物质量浓度，达到平衡时，根据二氧化碳的转化率，计算达到平衡时二氧化碳的物质的量浓度，甲醇的物质的量浓度，画出CO2和CH3OH(g)的浓度随时间的变化曲线。

(1)由题干信息可得，故答案为：3.725×10-6mol·L-1·s-1；

(2)该装置为燃料电池，将化学能直接转化为电能，原电池中负极失去电子，所以负极电极反应式是CH3OCH3+3H2O-12e-===2CO2+12H+，故答案为：化学能转变为电能；CH3OCH3+3H2O-12e-===2CO2+12H+；

(3)根据图像分析可知，无论用何种催化剂均是温度越高，产率越高，但在450°C，用催化剂c时，H2产率超过70%，具有实际意义，故答案为：c；450℃；

(4)由图像知，a曲线在投料比1.0时，CO与H2总转化率最大；可由反应a-b得到反应CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)，平衡常数K3为两者之商=K1/K2，故答案为：1.0；K1/K2；

(5)3min时，H2浓度减少0.5mol·L-1·min-1×3min=1.5mol·L-1，则CO2的浓度减少0.5 mol·L-1，此时c(CO2)=0.5 mol·L-1，生成c(CH3OH)=0.5 mol·L-1，达到平衡时，c(CO2)=0.25 mol·L-1，c(CH3OH)=0.75 mol·L-1，画出CO2和CH3OH(g)的浓度随时间的变化曲线为，故答案为：。