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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)2CH3OH(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
Al2O3(鋁土礦)+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4,NaAl(OH)4+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3,2Al(OH)3
  △  
.
 
Al2O3+3H2O
Al2O3(鋁土礦)+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4,NaAl(OH)4+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3,2Al(OH)3
  △  
.
 
Al2O3+3H2O
(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
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
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)由H2和CO直接制備二甲醚(另一產物為水蒸氣)的熱化學方程式為
2CO(g)+4H2(g)=CH3OCH3+H2O(g)△H=-204.7kJ?mol-1
2CO(g)+4H2(g)=CH3OCH3+H2O(g)△H=-204.7kJ?mol-1
.根據化學反應原理,分析增加壓強對直接制備二甲醚反應的影響
該反應分子數減少,壓強升高使平衡右移,CO和H2轉化率增大,CH3OCH3產率增加.壓強升高使CO和H2濃度增加,反應速率增大
該反應分子數減少,壓強升高使平衡右移,CO和H2轉化率增大,CH3OCH3產率增加.壓強升高使CO和H2濃度增加,反應速率增大

(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,結果如圖所示.其中CO轉化率隨溫度升高而降低的原因是
反應放熱,溫度升高,平衡左移
反應放熱,溫度升高,平衡左移

(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).若電解質為酸性,二甲醚直接燃料電池的負極反應為
CH3OCH3+3H2O=2CO2+12H++12e-
CH3OCH3+3H2O=2CO2+12H++12e-
,一個二甲醚分子經過電化學氧化,可以產生
12
12
個電子的能量;該電池的理論輸出電壓為1.20V,能量密度E=
1.2V×
1000g
46g/mol
×12×96500C/mol
1Kg
3.6×106J?kw-1?h-1
=8.39KW?h?kg-1
1.2V×
1000g
46g/mol
×12×96500C/mol
1Kg
3.6×106J?kw-1?h-1
=8.39KW?h?kg-1
(列式計算.能量密度=電池輸出電能/燃料質量,1kW?h=3.6×106J).
分析:(1)鋁土礦制備較高純度Al2O3的主要工藝流程是利用氧化鋁是兩性氧化物溶于堿生成四羥基合鋁酸鈉,溶液中通入過量二氧化碳生成氫氧化鋁沉淀,加熱分解得到氧化鋁;
(2)二甲醚合成反應(Ⅳ)對于CO轉化率的影響,結合甲醇合成反應,水煤氣變換反應和化學平衡移動原理分析判斷;
(3)依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到,依據計算得到的反應結合化學平衡移動原理分析判斷增大壓強的影響;
(4)依據化學平衡特征和平衡移動原理分析;
(5)燃料電池中燃料在負極上失電子發(fā)生氧化反應,書寫電極反應,計算電子轉移;依據能量密度=電池輸出電能/燃料質量列式計算.
解答:解:(1)鋁土礦制備較高純度Al2O3的主要工藝流程,利用氧化鋁是兩性氧化物溶于堿生成四羥基合鋁酸鈉,溶液中通入過量二氧化碳生成氫氧化鋁沉淀,加熱分解得到氧化鋁;反應娥化學方程式為:Al2O3(鋁土礦)+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4;NaAl(OH)4+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3;2Al(OH)3
  △  
.
 
Al2O3+3H2O,
故答案為:Al2O3(鋁土礦)+2NaOH+3H2O=2NaAl(OH)4;NaAl(OH)4+CO2=Al(OH)3↓+NaHCO3;2Al(OH)3
  △  
.
 
Al2O3+3H2O;
(2)二甲醚合成反應(Ⅳ)對于CO轉化率的影響,消耗甲醇,促進甲醇合成反應(Ⅰ)CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)平衡右移,CO轉化率增大;生成的H2O,通過水煤氣變換反應(Ⅲ)CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2 (g)消耗部分CO,
故答案為: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)Ⅰ、CO(g)+2H2(g)═CH3OH(g)△H1=-90.1kJ?mol-1
Ⅳ、2CH3OH(g)═CH3OCH3(g)+H2O(g)△H4=-24.5kJ?mol-1
依據蓋斯定律Ⅰ×2+Ⅳ得到:2CO(g)+4H2(g)=CH3OCH3+H2O(g)△H=-204.7kJ?mol-1
該反應是氣體體積減小的反應,增加壓強平衡正向進行,反應速率增大,CO和H2轉化率增大,CH3OCH3產率增加,
故答案為:2CO(g)+4H2(g)=CH3OCH3+H2O(g)△H=-204.7kJ?mol-1;該反應分子數減少,壓強升高使平衡右移,CO和H2轉化率增大,CH3OCH3產率增加.壓強升高使CO和H2濃度增加,反應速率增大;
(4)CO轉化率隨溫度升高而降低,是因為反應是放熱反應,升溫平衡逆向進行,故答案為:反應放熱,溫度升高,平衡左移;
(5)若電解質為酸性,二甲醚直接燃料電池的負極反應為二甲醚失電子生成二氧化碳,結合原子守恒和電荷守恒寫出電極反應為:CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+; 
一個二甲醚分子經過電化學氧化失去12個電子,能量密度=電池輸出電能/燃料質量,該電池的理論輸出電壓為1.20V,能量密度E=
1.2V×
1000g
46g/mol
×12×96500C/mol
1Kg
3.6×106J?kw-1?h-1
=8.39KW?h?kg-1,
故答案為:CH3OCH3+3H2O-12e-=2CO2+12H+;12;
1.2V×
1000g
46g/mol
×12×96500C/mol
1Kg
3.6×106J?kw-1?h-1
=8.39KW?h?kg-1
點評:本題考查了物質制備原理分析,熱化學方程式和蓋斯定律的應用,化學平衡移動原理的分析判斷,原電池原理分析和電極書寫,題目難度中等.
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相關習題

科目:高中化學 來源: 題型:

二甲醚是一種重要的清潔燃料.工業(yè)上可利用煤的氣化產物(水煤氣)合成二甲醚.主要的三步反應如下:
①2H2(g)+CO(g)?CH3OH(g);△H=-91.8kJ?mol
②2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g);△H=-23.5kJ?mol
②CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g);△H=-41.3kJ?mol
回答下列問題:
(2)水煤氣合成二甲醚三步反應總的熱化學方程式為:
 

(3)-定條件下的密閉容器中,該總反應達到平衡后,要提高CO的轉化率,下列措施中可以采取的是
 
 (填字母代號).
a.升高溫度; b.降低溫度; c.增大壓強; d.減小壓強;
e.縮小體積;f.增大CO的濃度;g.增大CO2的濃度
(3)某溫度下,將一定里的CH3OH加入密閉容器中發(fā)生反應:2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g),
經20min反應達到平衡,此時測得c(CH3OH)=0.56mol?L;c(H2O)=0.72mol?L-1
①達平衡時,c(CH3OCH3)=
 
該時間段內反應逨率v(CH3OH)=
 
.開始加入的CH3OH濃度c(CH3OH)=
 

②在相同的條件下,若起始濃度的數值如下表所示
 物質  CH3OH  CH3OCH3  H2O
 濃度/(mol?L-1  0.28  0.86  0.86
則該反應正、逆反應速率(v、v)隨時間(<)變化的曲線是下列圖中的:
 
平衡時CH3OCH在混合物中的體積百分含量是
 

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科目:高中化學 來源:2011-2012學年江蘇省無錫市高三上學期期末考試化學試卷 題型:填空題

(14分)二甲醚(CH3OCH。)和甲醇(CH3OH)被稱為21世紀的新型燃料,具有清潔、高效等優(yōu)良的性能。以CH4和H2O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如下:

    (1)催化反應室B中CO與H2合成二甲醚的化學方程式為           .

    (2)催化反應室A中發(fā)生的反應為:

    CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)……(I)、CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)……(Ⅱ)催化反應室C中發(fā)生的反應為:

    CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)……(Ⅲ)、CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)……(Ⅳ)

    ①已知:原子利用率=×100%,試求反應(Ⅳ)的原子利用率為        。

    ②反應(Ⅳ)的△S         0(填“>”、“=”或“<”)。

    ③在壓強為5MPa,體積為VL的反應室c中,amol CO與20mol H2在催化劑作用下發(fā)生反應(Ⅲ)生成甲醇,CO的轉化率與溫度的關系如右圖。則該反應的△H      0(填“>”、“=”或“<”)。300℃時該反應的平衡常數K=         (用含字母的代數式表示)。

   

(3)我國某科研所提供一種堿性“直接二甲醚燃料電池”。

    該燃料電池負極的電極反應式為:

    CH3OCH3一12e+16OH=2CO2-3+11H2O。有人提出了一種利用氯堿工業(yè)產品治理含二氧化硫(體積分數為x)廢氣的方法如下:

    ①將含SO2的廢氣通人電解飽和食鹽水所得溶液中,得NaHSO3溶液;

    ②將電解飽和食鹽水所得氣體反應后制得鹽酸;

    ③將鹽酸加入NaHSO3溶液中得SO2氣體回收。

    用上述堿性“直接二甲醚燃料電池”電解食鹽水來處理標準狀況下VL的廢氣,計算消耗二甲醚的質量。

 

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科目:高中化學 來源: 題型:

(14分)二甲醚(CH3OCH。)和甲醇(CH3OH)被稱為21世紀的新型燃料,具有清潔、高效等優(yōu)良的性能。以CH4和H2O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如下:

    (1)催化反應室B中CO與H2合成二甲醚的化學方程式為           .

    (2)催化反應室A中發(fā)生的反應為:

    CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)……(I)、CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)……(Ⅱ)催化反應室C中發(fā)生的反應為:

    CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)……(Ⅲ)、CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)……(Ⅳ)

    ①已知:原子利用率=×100%,試求反應(Ⅳ)的原子利用率為        。

    ②反應(Ⅳ)的△S         0(填“>”、“=”或“<”)。

    ③在壓強為5MPa,體積為VL的反應室c中,amol CO與20mol H2在催化劑作用下發(fā)生反應(Ⅲ)生成甲醇,CO的轉化率與溫度的關系如右圖。則該反應的△H     0(填“>”、“=”或“<”)。300℃時該反應的平衡常數K=        (用含字母的代數式表示)。

   

(3)我國某科研所提供一種堿性“直接二甲醚燃料電池”。

    該燃料電池負極的電極反應式為:

    CH3OCH3一12e+16OH=2CO2-3+11H2O。有人提出了一種利用氯堿工業(yè)產品治理含二氧化硫(體積分數為x)廢氣的方法如下:

    ①將含SO2的廢氣通人電解飽和食鹽水所得溶液中,得NaHSO3溶液;

    ②將電解飽和食鹽水所得氣體反應后制得鹽酸;

    ③將鹽酸加入NaHSO3溶液中得SO2氣體回收。

    用上述堿性“直接二甲醚燃料電池”電解食鹽水來處理標準狀況下VL的廢氣,計算消耗二甲醚的質量。

 

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科目:高中化學 來源:2012屆江蘇省無錫市高三上學期期末考試化學試卷 題型:填空題

(14分)二甲醚(CH3OCH。)和甲醇(CH3OH)被稱為21世紀的新型燃料,具有清潔、高效等優(yōu)良的性能。以CH4和H2O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如下:

(1)催化反應室B中CO與H2合成二甲醚的化學方程式為          .
(2)催化反應室A中發(fā)生的反應為:
CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)……(I)、CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g)……(Ⅱ)催化反應室C中發(fā)生的反應為:
CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)……(Ⅲ)、CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)……(Ⅳ)
①已知:原子利用率=×100%,試求反應(Ⅳ)的原子利用率為       。
②反應(Ⅳ)的△S         0(填“>”、“=”或“<”)。
③在壓強為5MPa,體積為VL的反應室c中,amol CO與20mol H2在催化劑作用下發(fā)生反應(Ⅲ)生成甲醇,CO的轉化率與溫度的關系如右圖。則該反應的△H     0(填“>”、“=”或“<”)。300℃時該反應的平衡常數K=         (用含字母的代數式表示)。

(3)我國某科研所提供一種堿性“直接二甲醚燃料電池”。
該燃料電池負極的電極反應式為:
CH3OCH3一12e+16OH=2CO2-3+11H2O。有人提出了一種利用氯堿工業(yè)產品治理含二氧化硫(體積分數為x)廢氣的方法如下:
①將含SO2的廢氣通人電解飽和食鹽水所得溶液中,得NaHSO3溶液;
②將電解飽和食鹽水所得氣體反應后制得鹽酸;
③將鹽酸加入NaHSO3溶液中得SO2氣體回收。
用上述堿性“直接二甲醚燃料電池”電解食鹽水來處理標準狀況下VL的廢氣,計算消耗二甲醚的質量。

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