Question

二甲醚(CH3OCH3)是無(wú)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(guò)程包括以下四個(gè)反應(yīng)：

甲醇合成反應(yīng)：

(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(yīng)：

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

二甲醚合成反應(yīng)：

(ⅳ)2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH4＝－24.5 kJ·mol－1

回答下列問(wèn)題：

(1)Al2O3是合成氣直接制備二甲醚反應(yīng)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(xué)方程式表示)。

(2)分析二甲醚合成反應(yīng)(ⅳ)對(duì)于CO轉(zhuǎn)化率的影響

________________________________________________________________________。

(3)有研究者在催化劑(含Cu?Zn?Al?O和Al2O3)、壓強(qiáng)為5.0 MPa的條件下，由H2和CO直接制備二甲醚，結(jié)果如圖所示。其中CO轉(zhuǎn)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(dòng)快、效率高等優(yōu)點(diǎn)，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(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為__________

_____________________，一個(gè)二甲醚分子經(jīng)過(guò)電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生________________個(gè)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(jì)算。能量密度＝電池輸出電能/燃料質(zhì)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(jìn)甲醇合成反應(yīng)(ⅰ)平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大；生成的H2O，通過(guò)水煤氣變換反應(yīng)(ⅲ)消耗部分CO　(3)反應(yīng)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(zhì)的工業(yè)制備原理、熱化學(xué)及電化學(xué)知識(shí)，意在考查考生綜合分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。(1)工業(yè)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(guò)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(zhuǎn)化有關(guān)的反應(yīng)有反應(yīng)(ⅰ)、反應(yīng)(ⅲ)，這兩個(gè)反應(yīng)中的甲醇、H2O又出現(xiàn)在反應(yīng)(ⅳ)中，故當(dāng)反應(yīng)(ⅳ)消耗甲醇時(shí)，有利于反應(yīng)(ⅰ)向右進(jìn)行，提高CO轉(zhuǎn)化率；當(dāng)反應(yīng)(ⅳ)中生成較多的水時(shí)，能促使反應(yīng)(ⅲ)向右進(jìn)行， 提高CO轉(zhuǎn)化率。(3)由于CO與H2直接制備二甲醚的反應(yīng)是一個(gè)放熱反應(yīng)，因此溫度升高，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，從而使CO的轉(zhuǎn)化率降低。(4)放電時(shí)，二甲醚中的碳元素轉(zhuǎn)化為CO2，先寫出CH3OCH3－12e－―→2CO2，再結(jié)合電荷守恒、質(zhì)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(zhì)在反應(yīng)中所能提供的電量，故有1 kg二甲醚物質(zhì)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。