Question

【題目】二甲醚又稱甲醚，簡(jiǎn)稱DME，熔點(diǎn)為-141.5℃，沸點(diǎn)為-24.9℃。二甲醚與液化石油氣(LPG)相似，被譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔燃料”。由合成氣(CO、H2)制備二甲醚的反應(yīng)原理如下：

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1= -90.0 kJ·mol-1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H2=-20.0kJ·mol-l

回答下列問題：

（1）反應(yīng)①為熵___________(填“增加”或“減少”)的反應(yīng)，__________ (填“低溫”或“高溫”)下易自發(fā)進(jìn)行。

（2）寫出由合成氣(CO、H2) 直接制備二甲醚的熱化學(xué)方程式：__________________________________。

（3）溫度為500K時(shí)，在2L的密閉容器中充入2 mol CO和6 molH2發(fā)生反應(yīng)①、②，5 min時(shí)達(dá)到平衡，平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為60%，c(CH3OCH3)=0.2 mol·L-1，用H2表示反應(yīng)①的速率是______________，反應(yīng)②的平衡常數(shù)K=________________。

若在500K時(shí)，測(cè)得容器中n(CH3OCH3)=2n (CH3OH)，此時(shí)反應(yīng)②的v正__ v逆(填“>”、 “< ”或“=”)。
（4）研究發(fā)現(xiàn)，在體積相同的容器中加入物質(zhì)的量相同的CO和H2發(fā)生反應(yīng)①、②，在不同溫度和有無催化劑組合下經(jīng)過相同反應(yīng)時(shí)間測(cè)得如下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

T(K)	催化劑	CO轉(zhuǎn)化率(%)	CH3OCH3選擇性(%)
473	無	10	36
500	無	12	39
500	Cu/ZnO	20	81

[備注]二甲醚選擇性：轉(zhuǎn)化的CO中生成CH3OCH3的百分比

①相同溫度下，選用Cu/ZnO作催化劑，該催化劑能____________ (填標(biāo)號(hào))。

A.促進(jìn)平衡正向移動(dòng) B.提高反應(yīng)速率 C.降低反應(yīng)的活化能

D.改變反應(yīng)的焓變 E.提高CO的平衡轉(zhuǎn)化率

②表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在500K時(shí)，催化劑Cu/ZnO對(duì)CO轉(zhuǎn)化成CH3OCH3的選擇性有顯著的影響，其原因是_________________________________________________。

Answer 1

【答案】 減小 低溫 2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H= -200 kJ·mol-l 0.24mol/(L·min) 1 < B、C 由表中數(shù)據(jù)可知，此時(shí)反應(yīng)體系尚未建立平衡，催化劑可加速反應(yīng)②，從而在相同時(shí)間內(nèi)生成更多的CH3OCH3

【解析】（1）反應(yīng)①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H1= -90.0 kJ·mol-1 氣體分子數(shù)減少，故熵減少，即△S<0；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，要能自發(fā)進(jìn)行，△H-T△S<0，T是熱力學(xué)溫度，是正值，故低溫時(shí)，△H-T△S<0，該反應(yīng)在低溫下下易自發(fā)進(jìn)行；

（2）由合成氣(CO、H2) 直接制備二甲醚的化學(xué)方程式：2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)，該反應(yīng)可由①×2+②得來，故該反應(yīng)的△H=-200 kJ·mol-l，故該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：2CO(g)+4H2(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) △H= -200 kJ·mol-l；

（3）溫度為500K時(shí)，在2L的密閉容器中充入2 mol CO和6 molH2發(fā)生反應(yīng)①、②，5 min時(shí)達(dá)到平衡，平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為60%，c(CH3OCH3)=0.2 mol·L-1，

①CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始濃度 1 3 0

反應(yīng)濃度 0.6 1.2 0.6

平衡濃度 0.4 1.8 0.6

H2表示反應(yīng)①的速率是v= =0.24mol/(L·min)

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

起始濃度 0.6 0 0

反應(yīng)濃度 0.4 0.2 0.2

平衡濃度 0.2 0.2 0.2

反應(yīng)②的平衡常數(shù)K= = 1；

若在500K時(shí)，測(cè)得容器中n(CH3OCH3)=2n (CH3OH)，此時(shí)n(CH3OCH3)=n（H2O）=2n (CH3OH)，c(CH3OCH3)=c（H2O）=2c (CH3OH)，此時(shí)Qc=0.25>K，平衡將逆向移動(dòng)，此時(shí)

反應(yīng)②的v正< v逆；

（4）根據(jù)表格①相同溫度下，選用Cu/ZnO作催化劑，催化劑只能加快反應(yīng)速率、降低反應(yīng)活化能，故選B、C；

②表中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在500K時(shí)，催化劑Cu/ZnO對(duì)CO轉(zhuǎn)化成CH3OCH3的選擇性有顯著的影響，由表中數(shù)據(jù)可知，此時(shí)反應(yīng)體系尚未建立平衡，催化劑可加速反應(yīng)②，從而在相同時(shí)間內(nèi)生成更多的CH3OCH3。