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）△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）2CH₃OH（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

Al₂O₃（铝土矿）+2NaOH+3H₂O=2NaAl（OH）₄，NaAl（OH）₄+CO₂=Al（OH）₃↓+NaHCO₃，2Al（OH）₃

△   .

Al₂O₃+3H₂O

（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

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）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

2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1

．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

该反应分子数减少，压强升高使平衡右移，CO和H₂转化率增大，CH₃OCH₃产率增加．压强升高使CO和H₂浓度增加，反应速率增大

．
（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，结果如图所示．其中CO转化率随温度升高而降低的原因是

反应放热，温度升高，平衡左移

．
（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

CH₃OCH₃+3H₂O=2CO₂+12H⁺+12e^-

，一个二甲醚分子经过电化学氧化，可以产生

12

个电子的能量；该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E=

1.2V× 1000g 46g/mol ×12×96500C/mol

1Kg 3.6×106J?kw-1?h-1

=8.39KW?h?kg^-1

（列式计算．能量密度=电池输出电能/燃料质量，1kW?h=3.6×10⁶J）．

Answer 1

分析：（1）铝土矿制备较高纯度Al₂O₃的主要工艺流程是利用氧化铝是两性氧化物溶于碱生成四羟基合铝酸钠，溶液中通入过量二氧化碳生成氢氧化铝沉淀，加热分解得到氧化铝；
（2）二甲醚合成反应（Ⅳ）对于CO转化率的影响，结合甲醇合成反应，水煤气变换反应和化学平衡移动原理分析判断；
（3）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到，依据计算得到的反应结合化学平衡移动原理分析判断增大压强的影响；
（4）依据化学平衡特征和平衡移动原理分析；
（5）燃料电池中燃料在负极上失电子发生氧化反应，书写电极反应，计算电子转移；依据能量密度=电池输出电能/燃料质量列式计算．

解答：解：（1）铝土矿制备较高纯度Al₂O₃的主要工艺流程，利用氧化铝是两性氧化物溶于碱生成四羟基合铝酸钠，溶液中通入过量二氧化碳生成氢氧化铝沉淀，加热分解得到氧化铝；反应娥化学方程式为：Al₂O₃（铝土矿）+2NaOH+3H₂O=2NaAl（OH）₄；NaAl（OH）₄+CO₂=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；2Al（OH）₃

△   .

Al₂O₃+3H₂O，
故答案为：Al₂O₃（铝土矿）+2NaOH+3H₂O=2NaAl（OH）₄；NaAl（OH）₄+CO₂=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；2Al（OH）₃

△   .

Al₂O₃+3H₂O；
（2）二甲醚合成反应（Ⅳ）对于CO转化率的影响，消耗甲醇，促进甲醇合成反应（Ⅰ）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）平衡右移，CO转化率增大；生成的H₂O，通过水煤气变换反应（Ⅲ）CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂ （g）消耗部分CO，
故答案为：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）Ⅰ、CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ?mol^-1
Ⅳ、2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1
依据盖斯定律Ⅰ×2+Ⅳ得到：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1
该反应是气体体积减小的反应，增加压强平衡正向进行，反应速率增大，CO和H₂转化率增大，CH₃OCH₃产率增加，
故答案为：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1；该反应分子数减少，压强升高使平衡右移，CO和H₂转化率增大，CH₃OCH₃产率增加．压强升高使CO和H₂浓度增加，反应速率增大；
（4）CO转化率随温度升高而降低，是因为反应是放热反应，升温平衡逆向进行，故答案为：反应放热，温度升高，平衡左移；
（5）若电解质为酸性，二甲醚直接燃料电池的负极反应为二甲醚失电子生成二氧化碳，结合原子守恒和电荷守恒写出电极反应为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺； 
一个二甲醚分子经过电化学氧化失去12个电子，能量密度=电池输出电能/燃料质量，该电池的理论输出电压为1.20V，能量密度E=

1.2V× 1000g 46g/mol ×12×96500C/mol

1Kg 3.6×106J?kw-1?h-1

=8.39KW?h?kg^-1，
故答案为：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；12；

1.2V× 1000g 46g/mol ×12×96500C/mol

1Kg 3.6×106J?kw-1?h-1

=8.39KW?h?kg^-1．

点评：本题考查了物质制备原理分析，热化学方程式和盖斯定律的应用，化学平衡移动原理的分析判断，原电池原理分析和电极书写，题目难度中等．