Question

二甲醚（CH₃OCH₃）是無色氣體，可作為一種新型能源．由合成氣（組成為H₂、CO和少量的CO₂）直接制備二甲醚，其中的主要過程包括以下四個反應：
甲醇合成反應：
（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
水煤氣變換反應：
（Ⅲ）CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₃=-41.1kJ?mol^-1
二甲醚合成反應：
（Ⅳ）2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ?mol^-1
回答下列問題：
（1）Al₂O₃是合成氣直接制備二甲醚反應催化劑的主要成分之一．工業上從鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程是

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

△   .

Al₂O₃+3H₂O

（以化學方程式表示）．
（2）分析二甲醚合成反應（Ⅳ）對于CO轉化率的影響

消耗甲醇，促進甲醇合成反應（Ⅰ）平衡右移，CO轉化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（Ⅲ）消耗部分CO

．
（3）由H₂和CO直接制備二甲醚（另一產物為水蒸氣）的熱化學方程式為

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

．根據化學反應原理，分析增加壓強對直接制備二甲醚反應的影響

該反應分子數減少，壓強升高使平衡右移，CO和H₂轉化率增大，CH₃OCH₃產率增加．壓強升高使CO和H₂濃度增加，反應速率增大

．
（4）有研究者在催化劑（含Cu-Zn-Al-O和Al₂O₃）、壓強為5.0MPa的條件下，由H₂和CO直接制備二甲醚，結果如圖所示．其中CO轉化率隨溫度升高而降低的原因是

反應放熱，溫度升高，平衡左移

．
（5）二甲醚直接燃料電池具有啟動快、效率高等優點，其能量密度等于甲醇直接燃料電池（5.93kW?h?kg^-1）．若電解質為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為

CH₃OCH₃+3H₂O=2CO₂+12H⁺+12e^-

，一個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生

12

個電子的能量；該電池的理論輸出電壓為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

（列式計算．能量密度=電池輸出電能/燃料質量，1kW?h=3.6×10⁶J）．

Answer 1

分析：（1）鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程是利用氧化鋁是兩性氧化物溶于堿生成四羥基合鋁酸鈉，溶液中通入過量二氧化碳生成氫氧化鋁沉淀，加熱分解得到氧化鋁；
（2）二甲醚合成反應（Ⅳ）對于CO轉化率的影響，結合甲醇合成反應，水煤氣變換反應和化學平衡移動原理分析判斷；
（3）依據熱化學方程式和蓋斯定律計算得到，依據計算得到的反應結合化學平衡移動原理分析判斷增大壓強的影響；
（4）依據化學平衡特征和平衡移動原理分析；
（5）燃料電池中燃料在負極上失電子發生氧化反應，書寫電極反應，計算電子轉移；依據能量密度=電池輸出電能/燃料質量列式計算．

解答：解：（1）鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程，利用氧化鋁是兩性氧化物溶于堿生成四羥基合鋁酸鈉，溶液中通入過量二氧化碳生成氫氧化鋁沉淀，加熱分解得到氧化鋁；反應娥化學方程式為：Al₂O₃（鋁土礦）+2NaOH+3H₂O=2NaAl（OH）₄；NaAl（OH）₄+CO₂=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；2Al（OH）₃

△   .

Al₂O₃+3H₂O，
故答案為：Al₂O₃（鋁土礦）+2NaOH+3H₂O=2NaAl（OH）₄；NaAl（OH）₄+CO₂=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；2Al（OH）₃

△   .

Al₂O₃+3H₂O；
（2）二甲醚合成反應（Ⅳ）對于CO轉化率的影響，消耗甲醇，促進甲醇合成反應（Ⅰ）CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）平衡右移，CO轉化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（Ⅲ）CO（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+H₂ （g）消耗部分CO，
故答案為：消耗甲醇，促進甲醇合成反應（Ⅰ）平衡右移，CO轉化率增大；生成的H₂O，通過水煤氣變換反應（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
依據蓋斯定律Ⅰ×2+Ⅳ得到：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1
該反應是氣體體積減小的反應，增加壓強平衡正向進行，反應速率增大，CO和H₂轉化率增大，CH₃OCH₃產率增加，
故答案為：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ?mol^-1；該反應分子數減少，壓強升高使平衡右移，CO和H₂轉化率增大，CH₃OCH₃產率增加．壓強升高使CO和H₂濃度增加，反應速率增大；
（4）CO轉化率隨溫度升高而降低，是因為反應是放熱反應，升溫平衡逆向進行，故答案為：反應放熱，溫度升高，平衡左移；
（5）若電解質為酸性，二甲醚直接燃料電池的負極反應為二甲醚失電子生成二氧化碳，結合原子守恒和電荷守恒寫出電極反應為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺； 
一個二甲醚分子經過電化學氧化失去12個電子，能量密度=電池輸出電能/燃料質量，該電池的理論輸出電壓為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，
故答案為：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．

點評：本題考查了物質制備原理分析，熱化學方程式和蓋斯定律的應用，化學平衡移動原理的分析判斷，原電池原理分析和電極書寫，題目難度中等．