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CO2) 直接制备二甲醚,其中的主要过程包括以下四个反应:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90.1kJ·mol-1
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ·mol-1
③CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3=+41.1kJ·mol-1
④2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4=-24.5kJ·mol-1。试回答下列问题:
(1)由H2和CO直接制备二甲醚的热化学方程式:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH =_______kJ·mol-1;该反应可以自发进行的条件为________________。
(2)将1.0mol CO2 和 3.0mol H2 充入2L恒容密闭容器中,使其仅按反应②进行,在不同催化剂作用下,相同时间内 CO2 的转化率随温度变化如图所示。下列说法正确的是______________
A.T3对应的平衡常数小于T4对应的平衡常数
B.根据图中曲线分析,催化剂I的催化效果最好
C.b点v(正)可能等于v(逆)
D.a点的转化率比c点高可能的原因是该反应为放热反应,升温平衡逆向移动,转化率降低
(3)若CO2和H2仅发生反应②和③,研究表明:在其他条件相同的情况下,用新型催化剂可以显著提高甲醇的选择性,使用该催化剂,按 n(CO2):n(H2)=1:3(总量为a mol)投料于恒容密闭容器中进行反应,CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率:转化的 CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图所示:(忽略温度对催化剂的影响)
①在553K达到平衡时,反应体系内甲醇的物质的量为_________mol。
②随着温度的升高,CO2的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低,请分析其原因:____________________________ 。
(4)O2催化辅助的 Al-CO2电池工作原理如图所示。该电池电容量大,能有效利用CO2,电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。 则电池的正极反应式:6O2+6e-=6O2-和____________________ 。
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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) △H1 = -90.1kJ?mol-1
(ii)CO2(g) + 3H2(g) = CH3OH(g) + H2O(g) △H2 = -49.0kJ?mol-1
水煤气变换反应:
(iii)CO(g) + H2O(g) = CO2(g) + H2 (g) △H3 = -41.1kJ?mol-1
二甲醚合成反应:
(iV)2 CH3OH(g) = CH3OCH3(g) + H2O(g) △H4 = -24.5kJ?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)由H2和CO直接制备二甲醚(另一产物为水蒸气)的热化学方程式为________。根据化学反应原理,分析增加压强对直接制备二甲醚反应的影响________。
(4)有研究者在催化剂(含Cu—Zn—Al—O和Al2O3)、压强为5.0MPa的条件下,由H2和CO直接制备二甲醚,结果如下图所示。其中CO转化率随温度升高而降低的原因是________。
(5)二甲醚直接燃料电池具有启动快、效率高等优点,其能量密度等于甲醇直接燃料电池(5.93kW?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________个电子的能量;该电池的理论输出电压为1.20V,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 = 3.6×106J)。
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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CuZnAlO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)。
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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CO2)直接制备二甲醚,其中主要过程包括以下四个反应(均为可逆反应):
①CO(g)+ 2H2(g) = CH3OH(g) △H1=—90.1 kJ·mol-1
②CO2(g)+ 3H2(g) = CH3OH(g)+H2O(g) △H2=—49.0 kJ·mol-1
水煤气变换反应 ③CO(g) + H2O (g)=CO2(g)+H2(g) △H3=—41.1 kJ·mol-1
二甲醚合成反应 ④2CH3OH(g)=CH3OCH3(g)+H2O(g) △H4=—24.5 kJ·mol-1
(1)由H2和CO直接制备二甲醚(另一产物为水蒸气)的热化学方程式为________。
(2)一定温度下,在恒容密闭容器中进行反应①,下列描述能说明反应到达平衡状态的是________。
a.容器中气体平均相对分子质量保持不变
b.容器中气体密度保持不变
c.CH3OH(g)浓度保持不变
d.CH3OH(g)的消耗速率等于H2 (g)的消耗速率
(3)一定温度下,将8mol CH3OH(g)充入5L密闭容器中进行反应④,一段时间后到达平衡状态,反应过程中共放出49kJ热量,则CH3OH(g)的平衡转化率为________ ,该温度下,平衡常数K=________;该温度下,向容器中再充入2mol CH3OH(g),对再次达到的平衡状态的判断正确的是________。
a.CH3OH(g)的平衡转化率减小
b.CH3OCH3 (g)的体积分数增大
c.H2O(g)浓度为0.5mol·L-1
d.容器中的压强变为原来的1.25倍
(4)二甲醚—氧气燃料电池具有启动快,效率高等优点,其能量密度高于甲醇燃料电池,若电解质为酸性,二甲醚—氧气燃料电池的负极反应为________;消耗2.8L(标准状况)氧气时,理论上流经外电路的电子________mol
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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CO2) 直接制备二甲醚,其中的主要过程包括以下四个反应:
①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) ΔH1=-90.1kJ·mol-1
②CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH2=-49.0kJ·mol-1
③CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) ΔH3=+41.1kJ·mol-1
④2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH4=-24.5kJ·mol-1。试回答下列问题:
(1)由H2和CO直接制备二甲醚的热化学方程式:2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH =_______kJ·mol-1;该反应可以自发进行的条件为________________。
(2)将1.0mol CO2 和 3.0mol H2 充入2L恒容密闭容器中,使其仅按反应②进行,在不同催化剂作用下,相同时间内 CO2 的转化率随温度变化如图所示。下列说法正确的是______________
A.T3对应的平衡常数小于T4对应的平衡常数
B.根据图中曲线分析,催化剂I的催化效果最好
C.b点v(正)可能等于v(逆)
D.a点的转化率比c点高可能的原因是该反应为放热反应,升温平衡逆向移动,转化率降低
(3)若CO2和H2仅发生反应②和③,研究表明:在其他条件相同的情况下,用新型催化剂可以显著提高甲醇的选择性,使用该催化剂,按 n(CO2):n(H2)=1:3(总量为a mol)投料于恒容密闭容器中进行反应,CO2的平衡转化率和甲醇的选择率(甲醇的选择率:转化的 CO2中生成甲醇的物质的量分数)随温度的变化趋势如图所示:(忽略温度对催化剂的影响)
①在553K达到平衡时,反应体系内甲醇的物质的量为_________mol。
②随着温度的升高,CO2的平衡转化率增加但甲醇的选择率降低,请分析其原因:____________________________ 。
(4)O2催化辅助的 Al-CO2电池工作原理如图所示。该电池电容量大,能有效利用CO2,电池反应产物Al2(C2O4)3是重要的化工原料。 则电池的正极反应式:6O2+6e-=6O2-和____________________ 。
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二甲醚(CH3OCH3,沸点为-24.9℃)被称为21世纪的新型能源。科学家利用太阳能分解水生成的氢气与从烟道气中分离出的CO2在催化剂作用下合成二甲醚,并开发出直接以二甲醚为燃料的燃料电池。其合成流程如下:
(1)已知:CH3OCH3(g)、H2(g)的标准燃烧热分别为:△H= -1455.0kJ·mol-1、△H= -285.8 kJ·mol-1。写出以CO2、H2合成CH3OCH3的热化学方程式:________;
(2)15~20%的乙醇胺(HOCH2CH2NH2)水溶液具有弱碱性,上述合成线路中用作CO2吸收剂。写出吸收CO2反应的化学方程式________;
(3)一定条件下用CO2和H2合成二甲醚,反应物气流量对CO2的转化率、二甲醚的选择性(是指转化生成二甲醚的碳占已转化碳的比例)影响结果如图1所示,当控制气流量为28mL· min-1时,则生成0.3mol二甲醚需要通入CO2的物质的量为________;
图1 图2
(4)图2为二甲醚燃料电池示意图。
①a电极的电极反应式为________;
②若以1.12 L·min-l(标准状况)的速率向该电池中通入二甲醚,用该电池电解50mL2 mol·L-1 CuSO4溶液,通电0.50 min后,计算理论上可析出金属铜的质量为。
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二甲醚(CH3OCH3,沸点为-24.9℃)被称为21世纪的新型能源。科学家利用太阳能分解水生成的氢气与从烟道气中分离出的CO2在催化剂作用下合成二甲醚,并开发出直接以二甲醚为燃料的燃料电池。其合成流程如下:
(1)已知:CH3OCH3(g)、H2(g)的标准燃烧热分别为:△H= -1455.0kJ·mol-1、△H= -285.8 kJ·mol-1。写出以CO2、H2合成CH3OCH3的热化学方程式:________;
(2)15~20%的乙醇胺(HOCH2CH2NH2)水溶液具有弱碱性,上述合成线路中用作CO2吸收剂。写出吸收CO2反应的化学方程式________;
(3)一定条件下用CO2和H2合成二甲醚,反应物气流量对CO2的转化率、二甲醚的选择性(是指转化生成二甲醚的碳占已转化碳的比例)影响结果如图1所示,当控制气流量为28mL· min-1时,则生成0.3mol二甲醚需要通入CO2的物质的量为________;
图1 图2
(4)图2为二甲醚燃料电池示意图。
①a电极的电极反应式为________;
②若以1.12 L·min-l(标准状况)的速率向该电池中通入二甲醚,用该电池电解50mL2 mol·L-1 CuSO4溶液,通电0.50 min后,计算理论上可析出金属铜的质量为。
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荆门天茂实业集团为新能源领域的先行者,在中南地区拥有最大的甲醇装置并已建成年产50万吨二甲醚装置。由合成气(组成为H2、CO和少量的CO2)直接制备二甲醚,涉及如下反应。
甲醇合成反应:(i)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)△H1=-90.1kJ•mol-1
二甲醚合成反应:(ii)2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)△H2=-23.9kJ•mol-1
(iii)2CH3OH(g)C2H4(g)+2H2O(g)△H3=-29.1kJ•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。工业上以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) 、 、2Al(OH)3 Al2O3 +3H2O。
(2)一定温度时,反应(i)的平衡常数数值Kp = 4.80×10-2,向容器中充入2 mol H2和1 molCO,反应(i)达平衡状态时,甲醇的分压p(CH3OH)=24.0 kPa,则平衡时,混合气体中CH3OH的物质的量分数为__________(Kp是用平衡分压代替平衡浓度所得的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
(3)二甲醚合成反应过程中两反应能量变化如图所示:
①反应速率较大的是__________(填序号 “ ii”、“ iii”),说明原因 。
②若在容器中加入催化剂,则E2 - E1将__________(填“变大”、“不变”或“变小”)。
(4)由H2和CO直接制备二甲醚(另一产物为水蒸气)的热化学方程式为 。根据化学反应原理,分析增加压强对直接制备二甲醚反应的影响 。
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二甲醚(CH3OCH3)是无色气体,是柴油的理想替代燃料。清华大学王志良等研究了,由合成气(组成为H2、CO和少量的CO2)一步法制备二甲醚的问题,其中的主要过程包括以下三个反应:
(i)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-90.1 kJ/mol
(ii)CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41.1 kJ/mol
(iii)2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H3=-24.5 kJ/mol
(1)由H2和CO制备二甲醚(另一产物为CO2)的热化学方程式为________。
(2)合成气初始组成为n(H2):n(CO):n(CO2)=0.67:0.32:0.01的反应体系。在250℃和5.0 MPa条件下,在1 L密闭容器中经10 min达到化学平衡时,各组分的物质的量如下表:
成分 | H2 | CO | H2O | CH3OH | CH3OCH3 |
物质的量(mol) | 0.26 | 0.01 | 0.04 | 0.02 | 0.11 |
则反应(iii)在该条件下的平衡常数是_______;在反应进行的10 min内,用CH3OH表示的反应(i)的平均速率是_______。
(3)课题组探究了外界条件,对合成气单独合成甲醇反应体系和直接合成二甲醚反应体系的影响。
①图1和图2显示了温度250 ℃和5.0 MPa条件下,合成气组成不同时,反应达到平衡时的情况。(图中M代表甲醇、D代表二甲醚、D+M代表甲醇和二甲醚。下同)
由图可知,随着合成气中H2所占比例的提高,合成甲醇的反应体系中,CO转化率的变化趋势是______。对于由合成气直接合成二甲醚的反应体系,为了提高原料转化率和产品产率,的值应控制在_____附近。
②在压强为5.0MPa、=2.0及的条件下,反应温度对平衡转化率和产率的影响如图3和图4所示。
课题组认为图3所示的各反应物的转化率变化趋势符合反应特点,其理由是______。图中显示合成气直接合成二甲醚体系中,CO的转化率明显高于H2的转化率,原因是_______。图4显示随着温度增大,合成气单独合成甲醇时的产率,要比合成气直接合成二甲醚时的产率减小的快,原因是_______。
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CO和H2均是重要的化工原料,CO2的固定和利用对环境保护及能源开发具有重要的意义。
(1)利用水煤气(CO+H2)作为合成气,在同一容器中,选择双催化剂,经过如下三步反应,最终合成二甲醚(CH3OCH3)。
甲醇合成反应:CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1=-90.8kJ·mol-1
水煤气变换反应:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41.3kJ·mol-1
甲醇脱水反应:2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H3=-23.5kJ·mol-1
写出由CO和H2合成二甲醚气体和水蒸气的热化学方程式____________。
(2)在2L恒容密闭容器中,投入CO(g)和H2(g)各5mol,发生如下反应:
3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g) △H<0,CO的转化率α与温度、压强的关系如图所示:
①p1、p2、p3中最大的是________。
②若该反应进行50min时达到平衡,此时CO的转化率α=0.6,则50min内H2的反应速率为____mol·L-1·min-1。
(3)二甲醚(CH3OCH3)燃料电池具有启动快。效率高等优点,其能量密度高于甲醇燃料电池。其工作原理如图所示。X极附近的酸性______(填“减弱”、“增强”或“不变”),Y电极是_____极,写出X电极上发生的电极反应式__________。若用该二甲醚燃料电池电解饱和食盐水(阳极为石墨电极),当有2.3g燃料被消耗时,阴极产生气体的体积为_____L(标准状况下)
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