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）2 CH₃OH(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                                                     （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                          。
（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           。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                      。
（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，結果如下圖所示。其中CO轉化率隨溫度升高而降低的原因是      。

（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             ，一個二甲醚分子經過電化學氧化，可以產生     個電子的能量；該電池的理論輸出電壓為1.20V，能量密度E =                                                             （列式計算。能量密度=電池輸出電能/燃料質量，1 kW?h = 3.6×10⁶J）。

Answer 1

（1）Al₂O₃(鋁土礦) + 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄
NaAl(OH)₄ + CO₂ = Al(OH)₃↓ + NaHCO₃，2Al(OH)₃Al₂O₃+ 3H₂O
（2）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）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）反應放熱，溫度升高，平衡左移。
（5）CH₃OCH₃ + 3H₂O = 2CO₂ + 12H⁺ + 12e^-       12
=8.39kW·h·kg^-1

解析（1）從鋁土礦制備較高純度Al₂O₃的主要工藝流程：鋁土礦用氫氧化鈉溶液溶解，Al₂O₃+ 2NaOH + 3H₂O = 2NaAl(OH)₄，鋁元素在溶液中以NaAl(OH)₄存在，在溶液中通入二氧化碳氣體進行酸化，NaAl(OH)₄ + CO₂ = Al(OH)₃↓ + NaHCO₃，過濾得到Al(OH)₃沉淀，高溫煅燒，2Al(OH)₃Al₂O₃+ 3H₂O，得到較高純度Al₂O₃。
（2）根據四個反應方程式可知：二甲醚合成反應（iV）中消耗甲醇，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）根據題目所給條件和蓋斯定律，由H₂和CO直接制備二甲醚的熱化學方程式為2CO(g) + 4H₂(g) = CH₃OCH₃ + H₂O(g)   △H = -204.7kJ?mol^-1。該反應為分子數減少的反應，增加壓強使平衡右移，CO和H₂轉化率均增大，CH₃OCH₃產率增加。增加壓強使CO和H₂濃度增加，反應速率增大。
（4）由H₂和CO直接制備二甲醚，由于該反應是放熱反應，隨溫度升高，平衡逆向移動，CO轉化率隨溫度升高而降低。
（5）根據反應產物，二甲醚直接燃料電池的負極反應為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=
2CO₂+12H⁺，根據方程式可知: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；根據能量密度的計算公式，E = =8.39kW·h·kg^-1。
【考點定位】反應速率、化學平衡、電化學、化學計算