Question

【題目】二甲醚（CH3OCH3）是一種新興化工原料，具有甲基化反應性能。

I．二甲醚的生產：二甲醚的生產原理之一是利用甲醇脫水成二甲醚，化學方程式如下：

反應i 2CH3OH(g) CH3OCH3(g) + H2O(g) ΔH 1

（1）已知：甲醇、二甲醚的氣態標準燃燒熱分別為-761.5 kJ·mol-1、-1455.2 kJ·mol-1，且H2O(g) = H2O(l) ΔH＝﹣44.0 kJ·mol﹣1。則反應i的ΔH 1＝_________kJ·mol﹣1.

（2）反應i中甲醇轉化率、二甲醚選擇性的百分率與不同催化劑的關系如下表所示，生產時，選擇的最佳催化劑是_________。

催化劑	甲醇轉化率/%	二甲醚選擇性/%
SiO2-TiO2/SO42-	35.1	98.1
SiO2-TiO2/Fe3+	52.9	98.7
GSAL-108	81.0	98.1
SiO2-Al2O3	62.1	96.4

注：反應條件：常壓、溫度270℃，甲醇液體空速14mL/(g·h)

（3）選定催化劑后，測得平衡時的甲醇轉化率與溫度的關系如圖所示。經研究產物的典型色譜圖發現該過程主要存在的副反應為：

反應ii 2CH3OH(g) C2H4 (g)+2H2O(g) ΔH2＝﹣29.1kJ·mol﹣1

① 工業上生產二甲醚的溫度通常在270-300℃，高于330℃之后，甲醇轉化率下降。

根據化學平衡移動原理分析其原因可能是_________；

根據化學反應速率變化分析其原因可能是_________。

② 某溫度下，以CH3OH(g)為原料，平衡時各物質的分壓數據如下表：

物質	CH3OH(g)	CH3OCH3(g)	C2H4 (g)	H2O(g)
分壓/MPa	0.16	0.288	0.016	…

則反應i中，CH3OH(g)的平衡轉化率α=_________。（用平衡分壓代替平衡濃度計算；結果保留兩位有效數字。）

II．二甲醚的應用：

（4）下圖為綠色電源“直接二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖。該電池的負極反應式為：_________；

Answer 1

【答案】﹣23.8 GSAL-108 該反應是放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，轉化率下降 溫度升高，催化劑活性降低，對二甲醚的選擇性下降，轉化率下降 75% CH3OCH3﹣12e﹣+3H2O＝2CO2+12H+

【解析】

(1)根據甲醇、二甲醚的氣態標準燃燒熱寫出熱化學方程式，再根據蓋斯定律書寫出目標方程式；

(2)甲醇的轉化率越大、二甲醚的選擇性越高越好；

(3)①升高溫度平衡向吸熱方向移動；催化劑活性在一定溫度范圍內，當不在該范圍內時催化劑會失去活性；②同一容器中，不同物質的壓強之比等于其物質的量之比分析解答；

(4)①根據溶液中氫離子的移動方向可知，左電極為負極，負極上二甲醚失電子生成二氧化碳和氫離子，據此書寫電極反應式。

I．(1)甲醇、二甲醚的氣態標準燃燒熱分別為-761.5kJmol-1、-1455.2kJmol-1，其熱化學方程式分別為：①CH3OH(g)+O2(g)=CO2(g)+2H2O(l) △H=-761.5kJmol-1，②CH3OCH3(g)+3O2(g) = 2CO2(g)+3H2O(l) △H=-1455.2kJmol-1，③H2O(g)=H2O(1) △H=-44.0kJmol-1，根據蓋斯定律，將方程式①×2-②-③得：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=[2×(-761.5)+1455.2+44.0]kJ/mol=-23.8kJ/mol，故答案為：-23.8；

(2)甲醇的轉化率越大、二甲醚的選擇性越高越好，根據表中數據知，應該選取催化劑GSAL-108，故答案為：GSAL-108；

(3)①升高溫度平衡向吸熱方向移動，該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，轉化率下降；溫度升高催化劑失活，對二甲醚選擇性下降，轉化率下降，故答案為：該反應的正反應是放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，轉化率下降；溫度升高催化劑失活，對二甲醚選擇性下降，轉化率下降；

②同一容器中，不同物質的壓強之比等于其物質的量之比，根據分壓中甲醇、二甲醚、乙烯的物質的量之比=0.16MPa∶0.288MPa∶0.016MPa=10∶18∶1，假設平衡時甲醇、二甲醚、乙烯的物質的量分別是10mol、18mol、1mol，根據C原子守恒知，生成18mol二甲醚需要36mol甲醇、生成1mol乙烯需要2mol甲醇，則開始時甲醇物質的量=(10+36+2)mol=48mol，反應i中甲醇的轉化率=×100%=×100%=75%，故答案為：75%；

II．(4)根據溶液中氫離子的移動方向可知，左電極為負極，負極上二甲醚失電子生成二氧化碳和氫離子，負極反應式為：(CH3)2O-12e-+3H2O=2CO2+12H+，右電極為正極，正極上氧氣得電子和氫離子反應生成水，正極的反應式為O2 + 4e-- + 4H+ == 2H2O，故答案為：(CH3)2O-12e-+3H2O=2CO2+12H+。