Question

【题目】二甲醚（CH3OCH3）是一种新兴化工原料，具有甲基化反应性能。

I．二甲醚的生产：二甲醚的生产原理之一是利用甲醇脱水成二甲醚，化学方程式如下：

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

（1）已知：甲醇、二甲醚的气态标准燃烧热分别为-761.5 kJ·mol-1、-1455.2 kJ·mol-1，且H2O(g) = H2O(l) ΔH＝﹣44.0 kJ·mol﹣1。则反应i的ΔH 1＝_________kJ·mol﹣1.

（2）反应i中甲醇转化率、二甲醚选择性的百分率与不同催化剂的关系如下表所示，生产时，选择的最佳催化剂是_________。

催化剂	甲醇转化率/%	二甲醚选择性/%
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：反应条件：常压、温度270℃，甲醇液体空速14mL/(g·h)

（3）选定催化剂后，测得平衡时的甲醇转化率与温度的关系如图所示。经研究产物的典型色谱图发现该过程主要存在的副反应为：

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

① 工业上生产二甲醚的温度通常在270-300℃，高于330℃之后，甲醇转化率下降。

根据化学平衡移动原理分析其原因可能是_________；

根据化学反应速率变化分析其原因可能是_________。

② 某温度下，以CH3OH(g)为原料，平衡时各物质的分压数据如下表：

物质	CH3OH(g)	CH3OCH3(g)	C2H4 (g)	H2O(g)
分压/MPa	0.16	0.288	0.016	…

则反应i中，CH3OH(g)的平衡转化率α=_________。（用平衡分压代替平衡浓度计算；结果保留两位有效数字。）

II．二甲醚的应用：

（4）下图为绿色电源“直接二甲醚燃料电池”的工作原理示意图。该电池的负极反应式为：_________；

Answer 1

【答案】﹣23.8 GSAL-108 该反应是放热反应，温度升高，平衡逆向移动，转化率下降 温度升高，催化剂活性降低，对二甲醚的选择性下降，转化率下降 75% CH3OCH3﹣12e﹣+3H2O＝2CO2+12H+

【解析】

(1)根据甲醇、二甲醚的气态标准燃烧热写出热化学方程式，再根据盖斯定律书写出目标方程式；

(2)甲醇的转化率越大、二甲醚的选择性越高越好；

(3)①升高温度平衡向吸热方向移动；催化剂活性在一定温度范围内，当不在该范围内时催化剂会失去活性；②同一容器中，不同物质的压强之比等于其物质的量之比分析解答；

(4)①根据溶液中氢离子的移动方向可知，左电极为负极，负极上二甲醚失电子生成二氧化碳和氢离子，据此书写电极反应式。

I．(1)甲醇、二甲醚的气态标准燃烧热分别为-761.5kJmol-1、-1455.2kJmol-1，其热化学方程式分别为：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，根据盖斯定律，将方程式①×2-②-③得：2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H=[2×(-761.5)+1455.2+44.0]kJ/mol=-23.8kJ/mol，故答案为：-23.8；

(2)甲醇的转化率越大、二甲醚的选择性越高越好，根据表中数据知，应该选取催化剂GSAL-108，故答案为：GSAL-108；

(3)①升高温度平衡向吸热方向移动，该反应的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，转化率下降；温度升高催化剂失活，对二甲醚选择性下降，转化率下降，故答案为：该反应的正反应是放热反应，升高温度平衡逆向移动，转化率下降；温度升高催化剂失活，对二甲醚选择性下降，转化率下降；

②同一容器中，不同物质的压强之比等于其物质的量之比，根据分压中甲醇、二甲醚、乙烯的物质的量之比=0.16MPa∶0.288MPa∶0.016MPa=10∶18∶1，假设平衡时甲醇、二甲醚、乙烯的物质的量分别是10mol、18mol、1mol，根据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，则开始时甲醇物质的量=(10+36+2)mol=48mol，反应i中甲醇的转化率=×100%=×100%=75%，故答案为：75%；

II．(4)根据溶液中氢离子的移动方向可知，左电极为负极，负极上二甲醚失电子生成二氧化碳和氢离子，负极反应式为：(CH3)2O-12e-+3H2O=2CO2+12H+，右电极为正极，正极上氧气得电子和氢离子反应生成水，正极的反应式为O2 + 4e-- + 4H+ == 2H2O，故答案为：(CH3)2O-12e-+3H2O=2CO2+12H+。