Question

16．二甲醚代替柴油具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)．二甲醚制備方法有甲醇液相脫水法和合成氣氣相制備法兩種．回答下列問題：
（1）甲醇液相脫水法是將CH₃OH與濃硫酸反應(yīng)生成CH₃HS0₄，該物質(zhì)再與CH₃OH合成 CH₃OCH₃．寫出上述過程中的化學(xué)方程式：CH₃OH+H₂SO₄=CH₃HS0₄+H₂O、CH₃HS0₄+CH₃OH→CH₃OCH₃+H₂SO₄．
（2）已知：
甲醇合成反應(yīng)：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=90.7kJ•moL^-1
合成二甲醚的反應(yīng)：2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•moL^-1
煤氣變換反應(yīng)：CO（g）+H₂0（g）═C0₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•moL^-1
則：CO與H₂直接合成二甲醚的反應(yīng)：
3CO（g）+3H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+C0₂（g）△H=-246.1kJ/mol
與甲醇液相脫水法相比，CO與H₂直接合成二甲醚的優(yōu)點(diǎn)是不存在硫酸腐蝕設(shè)備的問題．
（3）如圖甲是在容積為1L的容器中通入2molCO和2molH₂，發(fā)生CO與H₂直接合成二甲醚的反應(yīng)時(shí)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強(qiáng)的變化關(guān)系．

①壓強(qiáng)p_l、p₂、p₃的大小關(guān)系是P₁＞P₂＞P₃
②316°C時(shí)，反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{1}{9}$
③若壓強(qiáng)為p₃，溫度為316°C，起始時(shí)$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2，則反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率＞50%（填”＞”、“＜”或“=”）．
（4）C0與H₂直接合成二甲醚法中，若以Cu-Mn比例與反應(yīng)轉(zhuǎn)化率選擇性的關(guān)系如圖乙，所示．分析圖象信息可知最有利于二甲醚合成的$\frac{n（Mn）}{n（Cu）}$約為2
（5）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CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂↑+12H⁺．

Answer 1

分析 （1）CH₃OH與濃硫酸反應(yīng)生成CH₃HS0₄，CH₃HS0₄再與CH₃OH發(fā)生反應(yīng)生成 CH₃OCH₃，根據(jù)元素守恒書寫化學(xué)方程式；
（2）甲醇合成反應(yīng)：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•moL^-1
合成二甲醚的反應(yīng)：②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•moL^-1
煤氣變換反應(yīng)：③CO（g）+H₂0（g）═C0₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•moL^-1，
根據(jù)蓋斯定律①×2+②+③計(jì)算可得CO與H₂直接合成二甲醚的反應(yīng)；氣相直接水合法不用硫酸作催化劑；
（3）①該反應(yīng)正方向?yàn)轶w積減小的方向，根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)CO轉(zhuǎn)化率的影響分析；
②在P₃和316℃時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為50%，據(jù)此可計(jì)算出平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度，進(jìn)而計(jì)算平衡常數(shù)；
③若在P₃和316℃時(shí)，起始時(shí)$\frac{n（H{\;}_{2}）}{n（CO）}$=2＞1，即相當(dāng)于在原來的基礎(chǔ)上增大了氫氣的量；
（4）根據(jù)圖中生成二甲醚的最大值分析；
（5）酸性條件下，二甲醚失電子生成二氧化碳．

解答 解：（1）CH₃OH與濃硫酸反應(yīng)生成CH₃HS0₄，化學(xué)方程式為CH₃OH+H₂SO₄=CH₃HS0₄+H₂O，CH₃HS0₄再與CH₃OH發(fā)生反應(yīng)生成 CH₃OCH₃，化學(xué)方程式為CH₃HS0₄+CH₃OH→CH₃OCH₃+H₂SO₄，
故答案為：CH₃OH+H₂SO₄=CH₃HS0₄+H₂O、CH₃HS0₄+CH₃OH→CH₃OCH₃+H₂SO₄；
（2）已知：甲醇合成反應(yīng)：①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•moL^-1
合成二甲醚的反應(yīng)：②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•moL^-1
煤氣變換反應(yīng)：③CO（g）+H₂0（g）═C0₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•moL^-1，
根據(jù)蓋斯定律①×2+②+③計(jì)算可得CO與H₂直接合成二甲醚的反應(yīng)：3CO（g）+3H₂ （g）═CH₃OCH₃（g）+C0₂ （g）△H=（=-90.7×2-23.5-41.2）kJ/mol=-246.1kJ/mol；乙烯直接水化法中反應(yīng)物中氣相直接水合法不用硫酸作催化劑，所以不存在硫酸腐蝕設(shè)備的問題，
故答案為：-246.1kJ/mol；不存在硫酸腐蝕設(shè)備的問題；
（3）①該反應(yīng)正方向?yàn)轶w積減小的方向，增大壓強(qiáng)CO的轉(zhuǎn)化率增大，所以P₁＞P₂＞P₃，
故答案為：P₁＞P₂＞P₃；
②在P₃和316℃時(shí)，CO轉(zhuǎn)化率為50%，根據(jù)方程式3CO（g）+3H₂ （g）═CH₃OCH₃（g）+C0₂可知，平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量的濃度為1mol/L，H₂的物質(zhì)的量的濃度為1mol/L，C0₂的物質(zhì)的量的濃度為$\frac{1}{3}$mol/L，CH₃OCH₃的物質(zhì)的量的濃度為$\frac{1}{3}$mol/L，所以平衡常數(shù)K=$\frac{\frac{1}{3}×\frac{1}{3}}{1×1}$=$\frac{1}{9}$，
故答案為：$\frac{1}{9}$；
③若在P₃和316℃時(shí)，起始時(shí)$\frac{n（H{\;}_{2}）}{n（CO）}$=2＞1，則增大了氫氣的量，增大氫氣的濃度，平衡正移，CO的轉(zhuǎn)化率增大，所以CO轉(zhuǎn)化率大于50%，
故答案為：＞；
（4）由圖可知當(dāng)催化劑中$\frac{n（Mn）}{n（Cu）}$約為2時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率最大，生成二甲醚的最多；
故答案為：2；
（5）酸性條件下，二甲醚在負(fù)極失電子生成二氧化碳，其電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂↑+12H⁺；
故答案為：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂↑+12H⁺．

點(diǎn)評(píng) 本題考考查了熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算應(yīng)用，影響平衡的因素分析判斷，原電池原理的分析應(yīng)用，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，綜合性較強(qiáng)，題目難中等．