二甲醚(CH
3OCH
3)是無色氣體,可作為一種新型能源.由合成氣(組成為H
2、CO和少量的CO
2)直接制備二甲醚,其中的主要過程包括以下四個反應(yīng):
甲醇合成反應(yīng):
(Ⅰ)CO(g)+2H
2(g)═CH
3OH(g)△H
1=-90.1kJ?mol
-1(Ⅱ)CO
2(g)+3H
2(g)═CH
3OH(g)+H
2O(g)△H
2=-49.0kJ?mol
-1水煤氣變換反應(yīng):
(Ⅲ)CO(g)+H
2O(g)═CO
2(g)+H
2 (g)△H
3=-41.1kJ?mol
-1二甲醚合成反應(yīng):
(Ⅳ)2CH
3OH(g)═CH
3OCH
3(g)+H
2O(g)△H
4=-24.5kJ?mol
-1回答下列問題:
(1)Al
2O
3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Al
2O
3的主要工藝流程是
Al
2O
3(鋁土礦)+2NaOH+3H
2O=2NaAl(OH)
4,NaAl(OH)
4+CO
2=Al(OH)
3↓+NaHCO
3,2Al(OH)
3Al
2O
3+3H
2O
Al
2O
3(鋁土礦)+2NaOH+3H
2O=2NaAl(OH)
4,NaAl(OH)
4+CO
2=Al(OH)
3↓+NaHCO
3,2Al(OH)
3Al
2O
3+3H
2O
(以化學(xué)方程式表示).
(2)分析二甲醚合成反應(yīng)(Ⅳ)對于CO轉(zhuǎn)化率的影響
消耗甲醇,促進甲醇合成反應(yīng)(Ⅰ)平衡右移,CO轉(zhuǎn)化率增大;生成的H2O,通過水煤氣變換反應(yīng)(Ⅲ)消耗部分CO
消耗甲醇,促進甲醇合成反應(yīng)(Ⅰ)平衡右移,CO轉(zhuǎn)化率增大;生成的H2O,通過水煤氣變換反應(yīng)(Ⅲ)消耗部分CO
.
(3)由H
2和CO直接制備二甲醚(另一產(chǎn)物為水蒸氣)的熱化學(xué)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(jù)化學(xué)反應(yīng)原理,分析增加壓強對直接制備二甲醚反應(yīng)的影響
該反應(yīng)分子數(shù)減少,壓強升高使平衡右移,CO和H2轉(zhuǎn)化率增大,CH3OCH3產(chǎn)率增加.壓強升高使CO和H2濃度增加,反應(yīng)速率增大
該反應(yīng)分子數(shù)減少,壓強升高使平衡右移,CO和H2轉(zhuǎn)化率增大,CH3OCH3產(chǎn)率增加.壓強升高使CO和H2濃度增加,反應(yīng)速率增大
.
(4)有研究者在催化劑(含Cu-Zn-Al-O和Al
2O
3)、壓強為5.0MPa的條件下,由H
2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
反應(yīng)放熱,溫度升高,平衡左移
反應(yīng)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(zhì)為酸性,二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為
CH3OCH3+3H2O=2CO2+12H++12e-
CH3OCH3+3H2O=2CO2+12H++12e-
,一個二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化,可以產(chǎn)生
12
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個電子的能量;該電池的理論輸出電壓為1.20V,能量密度E=
(列式計算.能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量,1kW?h=3.6×10
6J).