Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是无色气体，可作为一种新型能源。由合成气（组成为H₂、CO和少量的CO₂）直接制备二甲醚，其中的主要过程包括以下四个反应：

甲醇合成反应：

（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

水煤气变换反应：

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

二甲醚合成反应：

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

回答下列问题：

（1）Al₂O₃是合成气直接制备二甲醚反应催化剂的主要成分之一。工业上从铝土矿制备较高纯度Al₂O₃的主要工艺流程是                                                     （以化学方程式表示）。

（2）分析二甲醚合成反应（iV）对于CO转化率的影响                          。

（3）由H₂和CO直接制备二甲醚（另一产物为水蒸气）的热化学方程式为           。根据化学反应原理，分析增加压强对直接制备二甲醚反应的影响                      。

（4）有研究者在催化剂（含Cu—Zn—Al—O和Al₂O₃）、压强为5.0MPa的条件下，由H₂和CO直接制备二甲醚，结果如下图所示。其中CO转化率随温度升高而降低的原因是      。

（5）二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度等于甲醇直接燃料电池（5.93kW?h?kg^-1）。若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为             ，一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生     个电子的能量；该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E =                                                             （列式计算。能量密度=电池输出电能/燃料质量，1 kW?h = 3.6×10⁶J）。

 

Answer 1

【答案】

（1）Al₂O₃(铝土矿) + 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄

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

（2）消耗甲醇，促进甲醇合成反应（i）平衡右移，CO转化率增大；生成的H₂O，通过水煤气变换反应（iii）消耗部分CO。

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

该反应分子数减少，压强升高使平衡右移，CO和H₂转化率增大，CH₃OCH₃产率增加。压强升高使CO和H₂浓度增加，反应速率增大。

（4）反应放热，温度升高，平衡左移。

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

=8.39kW·h·kg^-1

【解析】

（1）从铝土矿制备较高纯度Al₂O₃的主要工艺流程：铝土矿用氢氧化钠溶液溶解，Al₂O₃+ 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄，铝元素在溶液中以NaAl(OH)₄存在，在溶液中通入二氧化碳气体进行酸化，NaAl(OH)₄ + CO₂ = Al(OH)₃↓ + NaHCO₃，过滤得到Al(OH)₃沉淀，高温煅烧，2Al(OH)₃Al₂O₃+ 3H₂O，得到较高纯度Al₂O₃。

（2）根据四个反应方程式可知：二甲醚合成反应（iV）中消耗甲醇，促进甲醇合成反应（i）平衡右移，CO转化率增大；生成的H₂O，通过水煤气变换反应（iii）消耗部分CO。

（3）根据题目所给条件和盖斯定律，由H₂和CO直接制备二甲醚的热化学方程式为2CO(g) + 4H₂(g) = CH₃OCH₃ + H₂O(g)   △H = -204.7kJ?mol^-1。该反应为分子数减少的反应，增加压强使平衡右移，CO和H₂转化率均增大，CH₃OCH₃产率增加。增加压强使CO和H₂浓度增加，反应速率增大。

（4）由H₂和CO直接制备二甲醚，由于该反应是放热反应，随温度升高，平衡逆向移动，CO转化率随温度升高而降低。

（5）根据反应产物，二甲醚直接燃料电池的负极反应为CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=

2CO₂+12H⁺，根据方程式可知:一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生12个电子的能量；根据能量密度的计算公式，E = =8.39kW·h·kg^-1。

【考点定位】反应速率、化学平衡、电化学、化学计算