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) ΔH1＝－90.1 kJ·mol－1

(ⅱ)CO2(g)＋3H2(g)=CH3OH(g)＋H2O(g) ΔH2＝－49.0 kJ·mol－1

水煤气变换反应：

(ⅲ)CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g) ΔH3＝－41.1 kJ·mol－1

二甲醚合成反应：

(ⅳ)2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH4＝－24.5 kJ·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)有研究者在催化剂(含Cu?Zn?Al?O和Al2O3)、压强为5.0 MPa的条件下，由H2和CO直接制备二甲醚，结果如图所示。其中CO转化率随温度升高而降低的原因是_________________________________________________。

 

(4)二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点，其能量密度高于甲醇直接燃料电池(5.93 kW·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________________个电子的电量；该电池的理论输出电压为1.20 V，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＝3.6×106 J)。

 

Answer 1

(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)反应放热，温度升高，平衡左移

(4)CH3OCH3＋3H2O=2CO2＋12H＋＋12e－　12

÷(3.6×106J·kW－1·h－1)＝8.39 kW·h·kg－1

【解析】本题考查了物质的工业制备原理、热化学及电化学知识，意在考查考生综合分析问题和解决问题的能力。(1)工业上用铝土矿制备较高纯度Al2O3的方法是先用NaOH溶解铝土矿得到NaAl(OH)4(或NaAlO2)溶液，然后再向溶液中通入过量CO2得到Al(OH)3沉淀，最后加热Al(OH)3即可得到Al2O3。(2)与CO转化有关的反应有反应(ⅰ)、反应(ⅲ)，这两个反应中的甲醇、H2O又出现在反应(ⅳ)中，故当反应(ⅳ)消耗甲醇时，有利于反应(ⅰ)向右进行，提高CO转化率；当反应(ⅳ)中生成较多的水时，能促使反应(ⅲ)向右进行， 提高CO转化率。(3)由于CO与H2直接制备二甲醚的反应是一个放热反应，因此温度升高，反应向逆反应方向移动，从而使CO的转化率降低。(4)放电时，二甲醚中的碳元素转化为CO2，先写出CH3OCH3－12e－―→2CO2，再结合电荷守恒、质量守恒配平后得：CH3OCH3＋3H2O－12e－=2CO2＋12H＋。由能量密度单位知，能量密度是指1 kg物质在反应中所能提供的电量，故有1 kg二甲醚物质的量为1 000/46 mol，它共失去的电子为12×1 000/46 mol，故其能量密度为1.20 V×12××96 500 C·mol－1÷(3.6×106J·kW－1·h－1)÷1 kg＝8.39 kW·h·kg－1。