Question

【题目】二甲醚(CH3OCH3)是一种新兴化工原料，具有甲基化反应性能。

l.二甲醚的生产：

二甲醚的生产原理之一是利用甲醇脱水成二甲醚，化学方程式如下：

反应i 2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H1

(1)已知：甲醇、二甲醚的气态标准燃烧热分别为－761.5kJ·mol－1、－1455.2kJ·mol－1，且H2O(g)=H2O(1) △H=－44.0kJ·mol－1。

反应i的△H1=___________ kJ·mol－1。

(2)反应i中甲醇转化率、二甲醚选择性的百分率与不同催化剂的关系如图1所示，生产时，选择的最佳催化剂是___________。

(3)选定催化剂后，测得平衡时的甲醇转化率与温度的关系如图2所示。经研究产物的典型色谱图发现该过程主要存在的副反应为：

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

①工业上生产二甲醚的温度通常在270－300℃，高于330℃之后，甲醇转化率下降，根据化学平衡移动原理分析原因是______________________；根据化学反应速率变化分析原因是______________________。

②某温度下，以CH3OH(g)为原料，平衡时各物质的分压数据如下表：

则反应i中，CH3OH(g)的平衡转化率α=___________，反应i的平衡常数Kp=__________(用平衡分压代替平衡浓度计算；结果保留两位有效数字)

Ⅱ.二甲醚的应用：

(4)图3为绿色电源“直接二甲醚燃料电池”的工作原理示意图：

①该电池的负极反应式为：______________________；

②若串联该燃料电池电解硫酸钠溶液，消耗4.6g二甲醚后总共可在电解池两极收集到13.44L(标况)气体，该套装置的能量利用率为___________。(保留3位有效数字)

Answer 1

【答案】-23.8 GiSNL-108 该反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，转化率下降 温度升高，催化剂失活，对二甲醚的选择性下降，转化率下降（回答“温度升高，催化剂失活，副反应增多”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，

根据盖斯定律：①2- ②-③计算；

(2)由图1可知，反应i中甲醇转化率、二甲醚选择性的百分率以催化剂GiSNL-108为最佳；

(3)①工业上生产二甲醚的反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，转化率下降；从化学反应速率变化分析，温度升高，催化剂失活，对二甲醚的选择性下降，转化率下降；

②用平衡分压代替平衡浓度列出三行式，找出起始时CH3OH的总量以及转化为二甲醚的量，计算转化率；用平衡分压代替平衡浓度，根据Kp=计算平衡常数；

(4)①原电池负极发生氧化反应，由图可知，溶液为酸性条件，二甲醚失电子生成二氧化碳，写出电极反应式；

②根据能量利用率=100%计算。

(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，

根据盖斯定律：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，本题正确答案为：-23.8；

(2) 由图1可知，反应i中甲醇转化率、二甲醚选择性的百分率以催化剂GiSNL-108为最佳；

因此，本题正确答案为：GiSNL-108；

(3)①工业上生产二甲醚的反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，转化率下降，所以高于330℃之后，甲醇转化率下降；从化学反应速率变化分析，温度升高，催化剂失活，对二甲醚的选择性下降，转化率下降；

②用平衡分压代替平衡浓度列出三行式：

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

起始量 0.736 0 0

转化量 0.576 0.288 0.288

平衡量 0.16 0.288

由方程式2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)可知转化为C2H4的CH3OH的量为0.0162=0.032，

所以起始时CH3OH的总量为0.736+0.032=0.768，其他条件相同时，压强之比等于物质的量之比，

则反应i中，CH3OH(g)的平衡转化率α=100%=75%，

由方程式2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)可知反应ii转化为H2O的量为0.0162=0.032，

则平衡时H2O(g)平衡分压为：0.288MPa+0.032 MPa=0.32 MPa，

反应i的平衡常数Kp===3.6，

因此，本题正确答案为：该反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，转化率下降；温度升高，催化剂失活，对二甲醚的选择性下降，转化率下降；75%；3.6；

(4)①原电池负极发生氧化反应，由图可知，溶液为酸性条件，二甲醚失电子生成二氧化碳，电极反应式为：CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+；

②电解硫酸钠溶液两极生成氢气和氧气，若两极收集到13.44L(标况)气体，生成气体的物质的量为=0.6mol，生成的氢气和氧气的体积比为2:1，则阴极产生0.4molH2，阳极产生0.2molO2，电路中转移电子为0.2mol4=0.8mol；

由燃料电池电极反应CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+可知，消耗4.6g二甲醚转移电子为12=1.2mol，

所以能量利用率为100%=66.7%。

因此，本题正确答案为：CH3OCH3-12e-+3H2O=2CO2+12H+；66.7%。