Question

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)。

Answer 1

(1)Al₂O₃(铝土矿)＋2NaOH＋3H₂O=2NaAl(OH)₄、NaAl(OH)₄＋CO₂=Al(OH)₃↓＋NaHCO₃、2Al(OH)₃Al₂O₃＋3H₂O　(2)消耗甲醇，促进甲醇合成反应(ⅰ)平衡右移，CO转化率增大；生成的H₂O，通过水煤气变换反应(ⅲ)消耗部分CO　(3)反应放热，温度升高，平衡左移
(4)CH₃OCH₃＋3H₂O=2CO₂＋12H^＋＋12e^－　12
÷(3.6×10⁶J·kW^－1·h^－1)＝8.39 kW·h·kg^－1

本题考查了物质的工业制备原理、热化学及电化学知识，意在考查考生综合分析问题和解决问题的能力。(1)工业上用铝土矿制备较高纯度Al₂O₃的方法是先用NaOH溶解铝土矿得到NaAl(OH)₄(或NaAlO₂)溶液，然后再向溶液中通入过量CO₂得到Al(OH)₃沉淀，最后加热Al(OH)₃即可得到Al₂O₃。(2)与CO转化有关的反应有反应(ⅰ)、反应(ⅲ)，这两个反应中的甲醇、H₂O又出现在反应(ⅳ)中，故当反应(ⅳ)消耗甲醇时，有利于反应(ⅰ)向右进行，提高CO转化率；当反应(ⅳ)中生成较多的水时，能促使反应(ⅲ)向右进行，提高CO转化率。(3)由于CO与H₂直接制备二甲醚的反应是一个放热反应，因此温度升高，反应向逆反应方向移动，从而使CO的转化率降低。(4)放电时，二甲醚中的碳元素转化为CO₂，先写出CH₃OCH₃－12e^－―→2CO₂，再结合电荷守恒、质量守恒配平后得：CH₃OCH₃＋3H₂O－12e^－=2CO₂＋12H^＋。由能量密度单位知，能量密度是指1 kg物质在反应中所能提供的电量，故有1 kg二甲醚物质的量为1 000/46 mol，它共失去的电子为12×1 000/46 mol，故其能量密度为1.20 V×12××96 500 C·mol^－1÷(3.6×10⁶J·kW^－1·h^－1)÷1 kg＝8.39 kW·h·kg^－1。