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) ΔH1＝－90.1 kJ·mol－1

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

水煤氣變換反應：

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

二甲醚合成反應：

(ⅳ)2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH4＝－24.5 kJ·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轉化率的影響

________________________________________________________________________。

(3)有研究者在催化劑(含Cu?Zn?Al?O和Al2O3)、壓強為5.0 MPa的條件下，由H2和CO直接制備二甲醚，結果如圖所示。其中CO轉化率隨溫度升高而降低的原因是_________________________________________________。

 

(4)二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優點，其能量密度高于甲醇直接燃料電池(5.93 kW·h·kg－1)。若電解質為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為__________

_____________________，一個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生________________個電子的電量；該電池的理論輸出電壓為1.20 V，能量密度E＝_______________(列式計算。能量密度＝電池輸出電能/燃料質量，1 kW·h＝3.6×106 J)。

 

Answer 1

(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轉化率增大；生成的H2O，通過水煤氣變換反應(ⅲ)消耗部分CO　(3)反應放熱，溫度升高，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】本題考查了物質的工業制備原理、熱化學及電化學知識，意在考查考生綜合分析問題和解決問題的能力。(1)工業上用鋁土礦制備較高純度Al2O3的方法是先用NaOH溶解鋁土礦得到NaAl(OH)4(或NaAlO2)溶液，然后再向溶液中通入過量CO2得到Al(OH)3沉淀，最后加熱Al(OH)3即可得到Al2O3。(2)與CO轉化有關的反應有反應(ⅰ)、反應(ⅲ)，這兩個反應中的甲醇、H2O又出現在反應(ⅳ)中，故當反應(ⅳ)消耗甲醇時，有利于反應(ⅰ)向右進行，提高CO轉化率；當反應(ⅳ)中生成較多的水時，能促使反應(ⅲ)向右進行， 提高CO轉化率。(3)由于CO與H2直接制備二甲醚的反應是一個放熱反應，因此溫度升高，反應向逆反應方向移動，從而使CO的轉化率降低。(4)放電時，二甲醚中的碳元素轉化為CO2，先寫出CH3OCH3－12e－―→2CO2，再結合電荷守恒、質量守恒配平后得：CH3OCH3＋3H2O－12e－=2CO2＋12H＋。由能量密度單位知，能量密度是指1 kg物質在反應中所能提供的電量，故有1 kg二甲醚物質的量為1 000/46 mol，它共失去的電子為12×1 000/46 mol，故其能量密度為1.20 V×12××96 500 C·mol－1÷(3.6×106J·kW－1·h－1)÷1 kg＝8.39 kW·h·kg－1。