Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是無色氣體，可作為一種新型能源。由合成氣（組成為H₂、CO和少量的CO₂）直接制備二甲醚，其中的主要過程包括以下四個反應：

甲醇合成反應：

（i）CO(g) + 2H₂(g) = CH₃OH(g)               △H₁ = -90.1kJ?mol^-1

（ii）CO₂(g) + 3H₂(g) = CH₃OH(g) + H₂O(g)     △H₂ = -49.0kJ?mol^-1

水煤氣變換反應：

（iii）CO(g) + H₂O(g) = CO₂(g) + H₂ (g)      △H₃ = -41.1kJ?mol^-1

二甲醚合成反應：

（iV）2 CH₃OH(g) = CH₃OCH₃(g) + H₂O(g)        △H₄ = -24.5kJ?mol^-1

回答下列問題：

（1）Al₂O₃是合成氣直接制備二甲醚反應催化劑的主要成分之一。工業(yè)上從鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程是                                                     （以化學方程式表示）。

（2）分析二甲醚合成反應（iV）對于CO轉(zhuǎn)化率的影響                          。

（3）由H₂和CO直接制備二甲醚（另一產(chǎn)物為水蒸氣）的熱化學方程式為           。根據(jù)化學反應原理，分析增加壓強對直接制備二甲醚反應的影響                      。

（4）有研究者在催化劑（含Cu—Zn—Al—O和Al₂O₃）、壓強為5.0MPa的條件下，由H₂和CO直接制備二甲醚，結(jié)果如下圖所示。其中CO轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低的原因是      。

（5）二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優(yōu)點，其能量密度等于甲醇直接燃料電池（5.93kW?h?kg^-1）。若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為             ，一個二甲醚分子經(jīng)過電化學氧化，可以產(chǎn)生     個電子的能量；該電池的理論輸出電壓為1.20V，能量密度E =                                                             （列式計算。能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，1 kW?h = 3.6×10⁶J）。

 

Answer 1

【答案】

（1）Al₂O₃(鋁土礦) + 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄

NaAl(OH)₄ + CO₂ = Al(OH)₃↓ + NaHCO₃，2Al(OH)₃Al₂O₃+ 3H₂O

（2）消耗甲醇，促進甲醇合成反應（i）平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（iii）消耗部分CO。

（3）2CO(g) + 4H₂(g) = CH₃OCH₃ + H₂O(g)   △H = -204.7kJ?mol^-1 

該反應分子數(shù)減少，壓強升高使平衡右移，CO和H₂轉(zhuǎn)化率增大，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加。壓強升高使CO和H₂濃度增加，反應速率增大。

（4）反應放熱，溫度升高，平衡左移。

（5）CH₃OCH₃ + 3H₂O = 2CO₂ + 12H⁺ + 12e^-       12

=8.39kW·h·kg^-1

【解析】

（1）從鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程：鋁土礦用氫氧化鈉溶液溶解，Al₂O₃+ 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄，鋁元素在溶液中以NaAl(OH)₄存在，在溶液中通入二氧化碳氣體進行酸化，NaAl(OH)₄ + CO₂ = Al(OH)₃↓ + NaHCO₃，過濾得到Al(OH)₃沉淀，高溫煅燒，2Al(OH)₃Al₂O₃+ 3H₂O，得到較高純度Al₂O₃。

（2）根據(jù)四個反應方程式可知：二甲醚合成反應（iV）中消耗甲醇，促進甲醇合成反應（i）平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（iii）消耗部分CO。

（3）根據(jù)題目所給條件和蓋斯定律，由H₂和CO直接制備二甲醚的熱化學方程式為2CO(g) + 4H₂(g) = CH₃OCH₃ + H₂O(g)   △H = -204.7kJ?mol^-1。該反應為分子數(shù)減少的反應，增加壓強使平衡右移，CO和H₂轉(zhuǎn)化率均增大，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加。增加壓強使CO和H₂濃度增加，反應速率增大。

（4）由H₂和CO直接制備二甲醚，由于該反應是放熱反應，隨溫度升高，平衡逆向移動，CO轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低。

（5）根據(jù)反應產(chǎn)物，二甲醚直接燃料電池的負極反應為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=

2CO₂+12H⁺，根據(jù)方程式可知:一個二甲醚分子經(jīng)過電化學氧化，可以產(chǎn)生12個電子的能量；根據(jù)能量密度的計算公式，E = =8.39kW·h·kg^-1。

【考點定位】反應速率、化學平衡、電化學、化學計算