Question

6．開發(fā)清潔能源是當(dāng)今研究的熱點問題．二甲醚（CH₃OCH₃）在未來可能替代柴油和液化氣作為潔凈液體燃料使用，工業(yè)上以CO和H₂為原料生產(chǎn)CH₃OCH₃．工業(yè)制備二甲醚在催化反應(yīng)室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）進行下列反應(yīng)：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-99kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），計算△H=-262.7kJ•mol^-1．反應(yīng)原料來自煤的氣化．已知該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（{H}_{2}）•c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，每生成1mol H₂需要吸收131.3kJ的熱量．寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ•mol^-1．
（2）在該條件下，若反應(yīng)①的起始濃度分別為：c（CO）=0.6mol•L^-1，c（H₂）=1.4mol•L^-1，8min后達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則8min內(nèi)H₂的平均反應(yīng)速率為0.075mol•L^-1•min^-1．
（3）在t℃時，反應(yīng)②的平衡常數(shù)為400，此溫度下，在1L的密閉容器中加入一定的甲醇，反應(yīng)到某時刻測得各組分的物質(zhì)的量濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c（mol•L-1）	0.46	1.0	1.0

此時刻v_正＞v_逆（填“＞”“＜”或“=”），平衡時c（CH₃OCH₃）的物質(zhì)的量濃度是1.2mol•L^-1．
（4）在（1）小題中催化反應(yīng)室的總反應(yīng)3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），CO的平衡轉(zhuǎn)化率a（CO）與溫度、壓強的關(guān)系如圖1所示，圖中X代表溫度（填“溫度”或“壓強”）判斷的理由是圖中表明隨著X增大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減�。蝗绻鸛表示壓強，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，不符合條件；如果X表示溫度，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，符合條件

（5）在催化劑的作用下同時進行三個反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著起始投料比$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$的改變，二甲醚和甲醇的產(chǎn)率（產(chǎn)物中的碳原子占起始CO中碳原子的百分率）呈現(xiàn)如圖2的變化趨勢．試解釋二甲醚產(chǎn)率和甲醇產(chǎn)率變化的原因：當(dāng)投料比小于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)①的平衡正向移動，CO轉(zhuǎn)化率增大，因此二甲醚和甲醇的產(chǎn)率增大；當(dāng)投料比大于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)③被抑制，c（H₂O）增大，最終抑制反應(yīng)②，因此甲醇的產(chǎn)率繼續(xù)增大而二甲醚的產(chǎn)率減小．

Answer 1

分析 （1）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-99kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計算①×2+②+3得到催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）；
產(chǎn)業(yè)鏈中某反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（{H}_{2}）c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：H₂O（g）+C（s）?H₂（g）+CO（g），每生成1mol H₂需要吸收131.3kJ的熱量，生成2g氫氣放熱131.3KJ，結(jié)合熱化學(xué)方程式書寫方法寫出，標(biāo)注物質(zhì)聚集狀態(tài)和對應(yīng)反應(yīng)的焓變；
（2）結(jié)合化學(xué)平衡三行計算列式計算，
                            CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）   0.6            1.4                   0
變化量（mol/L）  0.3             0.6                  0.3
8min量（mol/L） 0.3              0.8                   0.3
反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$；
（3）①先計算濃度商，根據(jù)濃度商與化學(xué)平衡常數(shù)相對大小確定反應(yīng)方向，從而確定正逆反應(yīng)速率相對大小；
②根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)計算平衡時二甲醚的物質(zhì)的量濃度；
（4）3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-262.7kJ•mol^-1，反應(yīng)為氣體體積減小的放熱反應(yīng)，溫度升高平衡逆向進行，CO轉(zhuǎn)化率減小，增大壓強平衡正向進行，CO轉(zhuǎn)化率增大；
（5）當(dāng)投料比小于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)①的平衡正向移動，CO轉(zhuǎn)化率增大，因此二甲醚和甲醇的產(chǎn)率增大；當(dāng)投料比大于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)③被抑制，c（H₂O）增大．

解答 解：（1）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-99kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計算①×2+②+3得到催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-262.7kJ•mol^-1，
產(chǎn)業(yè)鏈中某反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式為K=$\frac{c（{H}_{2}）c（CO）}{c（{H}_{2}O）}$，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：H₂O（g）+C（s）?H₂（g）+CO（g），每生成1mol H₂需要吸收131.3kJ的熱量，生成2g氫氣放熱131.3KJ，結(jié)合熱化學(xué)方程式書寫方法寫出，C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ•mol^-1，
故答案為：-262.7kJ•mol^-1，C（s）+H₂O（g）=H₂（g）+CO（g）△H=+131.3kJ•mol^-1；
（2）在該條件下，若反應(yīng)①的起始濃度分別為：c（CO）=0.6mol•L^-1，c（H₂）=1.4mol•L^-1，8min后達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，
                           CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）   0.6            1.4                   0
變化量（mol/L）   0.3             0.6                  0.3
8min量（mol/L）  0.3              0.8                   0.3
反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.6mol/L}{8min}$=0.075 mol•L^-1•min^-1，
則8min內(nèi)H₂的平均反應(yīng)速率為0.075 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.075 mol•L^-1•min^-1；
（3）①2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），濃度商=$\frac{1×1}{0.4{6}^{2}}$=4.7＜400，平衡正向移動，則v_正 大于 v_逆，
故答案為：大于；
②設(shè)達到平衡時二甲醚反應(yīng)的物質(zhì)的量濃度為xmol/L，
           該反應(yīng)2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O
開始（mol/L）    0.46               1                       1      
反應(yīng)（mol/L）    2x                 x                       x
平衡（mol/L ）0.46-2x           1+x                    1+x
化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{（1+x）^{2}}{（0.46-2x）^{2}}$=400
x=0.2，
則平衡時二甲醚的物質(zhì)的量濃度=（1+0.2）mol/L=1.2mol/L，
故答案為：＞； 1.2 mol•L^-1；
（4）3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-262.7kJ•mol^-1，反應(yīng)為氣體體積減小的放熱反應(yīng)，溫度升高平衡逆向進行，一氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，增大壓強平衡正向進行，一氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，圖中表明隨著X增大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減��；如果X表示壓強，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，不符合條件；如果X表示溫度，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，符合條件，
故答案為：溫度；圖中表明隨著X增大，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小；如果X表示壓強，壓強增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率增大，不符合條件；如果X表示溫度，溫度升高，平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，符合條件；
（5）圖象中曲線變化特征分析，二甲醚產(chǎn)率和甲醇產(chǎn)率變化的原因：當(dāng)投料比小于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)①的平衡正向移動，CO轉(zhuǎn)化率增大，因此二甲醚和甲醇的產(chǎn)率增大；當(dāng)投料比大于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)③被抑制，c（H₂O）增大，最終抑制反應(yīng)②，因此甲醇的產(chǎn)率繼續(xù)增大而二甲醚的產(chǎn)率減小，
故答案為：當(dāng)投料比小于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)①的平衡正向移動，CO轉(zhuǎn)化率增大，因此二甲醚和甲醇的產(chǎn)率增大；當(dāng)投料比大于1時，隨著c（H₂）增大，反應(yīng)③被抑制，c（H₂O）增大，最終抑制反應(yīng)②，因此甲醇的產(chǎn)率繼續(xù)增大而二甲醚的產(chǎn)率減��；

點評 本題考查化學(xué)平衡計算，為高頻考點，側(cè)重考查學(xué)生分析計算能力，靈活運用三段式是解本題關(guān)鍵，會利用化學(xué)平衡常數(shù)與濃度商的關(guān)系確定反應(yīng)方向，題目難度中等．