Question

14．二甲醚（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二個(gè)反應(yīng)：
二甲醚合成反應(yīng)：
（i） CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH （g）△H₁=-90.1kJ•mol^-1
（ii） 2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-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(yīng)催化劑的主要成分之一．工業(yè)上從鋁土礦制備較高純度Al₂O₃主要流程是：Al₂O₃（鋁土礦）+2NaOH+3H₂O=2NaAl（OH）₄；NaAl（OH）₄+CO₂=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；2Al（OH）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3H₂O （以化學(xué)方程式表示）．
（2）由H₂和CO直接制備二甲醚（另一產(chǎn)物為水蒸氣）的熱化學(xué)方程式為：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ•mol^-1．根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分析增加壓強(qiáng)對(duì)直接制備二甲醚反應(yīng)的影響？該反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，增加壓強(qiáng)平衡正向進(jìn)行，反應(yīng)速率增大，CO和H₂轉(zhuǎn)化率增大，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加
（3）有研究者在催化劑（含Cu-Zn-Al-O和A1₂O₃），壓強(qiáng)為5.0MPa的條件下，由H₂和CO直接制備二甲醚，結(jié)果如圖所示．其中CO轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低的原因是：反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡左移．
（4）二甲醚直接燃料電池具有啟動(dòng)快，效率高等優(yōu)點(diǎn)，其能量密度高于甲醇直接燃料電池（5.93kw•h•kg^-1）．若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺，一個(gè)二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化，可以產(chǎn)生12個(gè)電子的電量：該電池的理論輸出電壓為1.20V，能量密度E=$\frac{1.2V×\frac{1000}{46}×12×96500}{\frac{1}{3.6×1{0}^{6}}}$39KW•h•kg^-1=8.39KW•h•kg^-1（列式計(jì)算．能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)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）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到，依據(jù)計(jì)算得到的反應(yīng)結(jié)合化學(xué)平衡移動(dòng)原理分析判斷增大壓強(qiáng)的影響；
（3）依據(jù)化學(xué)平衡特征和平衡移動(dòng)原理分析；
（4）燃料電池中燃料在負(fù)極上失電子發(fā)生氧化反應(yīng)，書寫電極反應(yīng)，計(jì)算電子轉(zhuǎn)移；依據(jù)能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量列式計(jì)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(yīng)的化學(xué)方程式為：Al₂O₃（鋁土礦）+2NaOH+3H₂O=2NaAl（OH）₄；NaAl（OH）₄+CO₂=Al（OH）₃↓+NaHCO₃；2Al（OH）₃$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$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$\frac{\underline{\;\;△\;\;}}{\;}$Al₂O₃+3H₂O；
（2）①CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H₁=-90.1kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₄=-24.5kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律①×2+②得到：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃+H₂O（g）△H=-204.7kJ•mol^-1
該反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，增加壓強(qiáng)平衡正向進(jìn)行，反應(yīng)速率增大，CO和H₂轉(zhuǎn)化率增大，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加，
故答案為：2CO（g）+4H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-204.7kJ•mol^-1；該反應(yīng)分子數(shù)減少，壓強(qiáng)升高使平衡右移，CO和H₂轉(zhuǎn)化率增大，CH₃OCH₃產(chǎn)率增加．壓強(qiáng)升高使CO和H₂濃度增加，反應(yīng)速率增大；
（3）CO轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而降低，是因?yàn)榉磻?yīng)是放熱反應(yīng)，升溫平衡逆向進(jìn)行；
故答案為：反應(yīng)放熱，溫度升高，平衡左移；
（4）若電解質(zhì)為酸性，二甲醚直接燃料電池的負(fù)極反應(yīng)為二甲醚失電子生成二氧化碳，結(jié)合原子守恒和電荷守恒寫出電極反應(yīng)為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺； 
一個(gè)二甲醚分子經(jīng)過電化學(xué)氧化失去12個(gè)電子，能量密度=電池輸出電能/燃料質(zhì)量，該電池的理論輸出電壓為1.20V，能量密度E=$\frac{1.2V×\frac{1000}{46}×12×96500}{\frac{1}{3.6×1{0}^{6}}}$39KW•h•kg^-1，
=8.39KW•h•kg^-1，
故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；12；$\frac{1.2V×\frac{1000}{46}×12×96500}{\frac{1}{3.6×1{0}^{6}}}$39KW•h•kg^-1=8.39KW•h•kg^-1．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了物質(zhì)制備原理分析，熱化學(xué)方程式和蓋斯定律的應(yīng)用，化學(xué)平衡移動(dòng)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．