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)

Question

二甲醚(CH ₃ OCH ₃ )是无色气体，可作为一种新型能源。由合成气(组成为H ₂ 、CO和少量的CO ₂ )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)＋2H ₂ (g)=CH ₃ OH(g)    ΔH ₁ ＝－90.1 kJ·mol ^－1
(ⅱ)CO ₂ (g)＋3H ₂ (g)=CH ₃ OH(g)＋H ₂ O(g)    ΔH ₂ ＝－49.0 kJ·mol ^－1
水煤气变换反应：
(ⅲ)CO(g)＋H ₂ O(g)=CO ₂ (g)＋H ₂ (g)   ΔH ₃ ＝－41.1 kJ·mol ^{－ 1}
二甲醚合成反应：
(ⅳ)2CH ₃ OH(g)=CH ₃ OCH ₃ (g)＋H ₂ O(g)    ΔH ₄ ＝－24.5 kJ·mol ^－1
回答下列问题：
(1)Al ₂ O ₃ 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Al ₂ O ₃ 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Al ₂ O ₃ )、压强为5.0 MPa的条件下，由H ₂ 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＝3.6×10 ⁶ J)。

Answer 1

(1)Al ₂ O ₃ (铝土矿)＋2NaOH＋3H ₂ O=2NaAl(OH) ₄ 、NaAl(OH) ₄ ＋CO ₂ =Al(OH) ₃ ↓＋NaHCO ₃ 、2Al(OH) ₃ Al ₂ O ₃ ＋3H ₂ O　(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H ₂ O，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)CH ₃ OCH ₃ ＋3H ₂ O=2CO ₂ ＋12H ^＋ ＋12e ^－ 　12
÷(3.6×10 ⁶ J·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Al ₂ O ₃ 的方法是先用NaOH溶解铝土矿得到NaAl(OH) ₄ (或NaAlO ₂ )溶液，然后再向溶液中通入过量CO ₂ 得到Al(OH) ₃ 沉淀，最后加热Al(OH) ₃ 即可得到Al ₂ O ₃ 。(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、H ₂ O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H ₂ 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CO ₂ ，先写出CH ₃ OCH ₃ －12e ^－ ―→2CO ₂ ，再结合电荷守恒、质量守恒配平后得：CH ₃ OCH ₃ ＋3H ₂ O－12e ^－ =2CO ₂ ＋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 ÷(3.6×10 ⁶ J·kW ^－1 ·h ^－1 )÷1 kg＝8.39 kW·h·kg ^－1 。