Question

6．二甲醚（CH₃OCH₃）和甲醇（CH₃OH）被称为21世纪的新型燃料，具有清洁、高效等优良的性能．以CH₄和H₂O为原料制备二甲醚和甲醇的工业流程如图1：

（1）催化反应室B中CO与H₂合成二甲醚的化学方程式为：2CO+4H₂$?_{△}^{催化剂}$CH₃OCH₃+H₂O．
（2）催化反应室A中发生的反应为：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）   …（I）
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）    …（Ⅱ）
催化反应室C中发生的反应为：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）          …（Ⅲ）
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）…（Ⅳ）
①已知：原子利用率=$\frac{预期产物的相对分子量}{全部生成物质的相对分子质量综合}$×100%，试求反应（Ⅳ）的原子利用率为64%．
②反应（Ⅳ）的△S＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．
③在压强为5MPa，体积为VL的反应室c中，amol CO与2amol H₂在催化剂作用下发生反应（Ⅲ）生成甲醇，CO的转化率（α）与温度的关系如图2．则该反应的△H＜0（填“＞”、“=”或“＜”）．300℃时该反应的平衡常数K=$\frac{{α}_{1}{V}^{2}}{4{a}^{2}（1-{α}_{1}）^{3}}$（用含字母α的代数式表示）．
（3）我国某科研所提供一种碱性“直接二甲醚燃料电池”．该燃料电池负极的电极反应式为：CH₃OCH₃-12e^-+16OH^-=2CO₃^2-+11H₂O．有人提出了一种利用氯碱工业产品治理含二氧化硫（体积分数为x）废气的方法如下：
①将含SO₂的废气通人电解饱和食盐水所得溶液中，得NaHSO₃溶液；
②将电解饱和食盐水所得气体反应后制得盐酸；电解饱和食盐水方程式：2NaCl+2H₂O═2NaOH+H₂（g）+Cl₂（g）
③将盐酸加入NaHSO₃溶液中得SO₂气体回收．
用上述碱性“直接二甲醚燃料电池”电解食盐水来处理标准状况下VL的废气，计算消耗二甲醚的质量为$\frac{23Vx}{133.4}$g．

Answer 1

分析 （1）催化反应室B中CO与H₂合成二甲醚，由元素守恒可知有水生成；
（2）①由原子利用率定义可知，反应（Ⅳ）的原子利用率=$\frac{Mr（C{H}_{3}OH）}{Mr（C{H}_{3}OH）+Mr（{H}_{2}O）}$×100%；
②反应（Ⅳ）是气体物质的量减小的反应，混乱度减小；
③由图开始，随温度升高，CO的转化率减小，说明升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应；
300℃平衡时CO转化率为α₁，则：
            CO（g）+2 H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：a        2a        0
变化量（mol）：aα₁      2aα₁      aα₁     
平衡量（mol）：a（1-α₁）  2a（1-α₁） aα₁             
再根据平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$计算；
（3）废气中二氧化硫为VxL，由整个过程、结合电子转移守恒可得关系式CH₃OCH₃～12SO₂，据此计算．

解答 解：（1）催化反应室B中CO与H₂合成二甲醚，由元素守恒可知有水生成，反应方程式为：2CO+4H₂$?_{△}^{催化剂}$CH₃OCH₃+H₂O，故答案为：2CO+4H₂$?_{△}^{催化剂}$CH₃OCH₃+H₂O；
（2）①由原子利用率定义可知，反应（Ⅳ）的原子利用率=$\frac{Mr（C{H}_{3}OH）}{Mr（C{H}_{3}OH）+Mr（{H}_{2}O）}$×100%=$\frac{32}{32+18}$×100%=64%，故答案为：64%；
②反应（Ⅳ）是气体物质的量减小的反应，混乱度减小，故△S＜0，故答案为：＜；
③由图开始，随温度升高，CO的转化率减小，说明升高温度平衡逆向移动，正反应为放热反应，则△H＜0；
300℃平衡时CO转化率为α₁，则：
           CO（g）+2 H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：a       2a        0
变化量（mol）：aα₁     2aα₁  aα₁
平衡量（mol）：a（1-α₁） 2a（1-α₁） aα₁
平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{a{α}_{1}}{V}}{\frac{a（1-{α}_{1}）}{V}×[\frac{2a（1-{α}_{1}）}{V}]^{2}}$=$\frac{{α}_{1}{V}^{2}}{4{a}^{2}（1-{α}_{1}）^{3}}$，
故答案为：$\frac{{α}_{1}{V}^{2}}{4{a}^{2}（1-{α}_{1}）^{3}}$；
（3）废气中二氧化硫为VxL，由整个过程、结合电子转移守恒可得关系式CH₃OCH₃～12SO₂，设消耗二甲醚的质量为m，则：
   CH₃OCH₃～12SO₂
46g          12×22.4L
m             Vx L
所以m=$\frac{46g×VxL}{12×22.4L}$=$\frac{23Vx}{133.4}$g，
故答案为：$\frac{23Vx}{133.4}$g．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、电化学等，（3）中计算涉及过程繁琐，注意利用关系式解答，难度中等．