Question

11．二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀(jì)的新型燃料，未來可能替代柴油和液化氣作為潔凈液體燃料使用．
（1）工業(yè)上利用水煤氣合成二甲醚的三步反應(yīng)如下：
①2H₂（g）+CO（g）???CH₃OH（g）△H=a kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=b kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=c kJ•mol^-1
現(xiàn)在采用新工藝的總反應(yīng)為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），該反應(yīng)的△H=（2a+b+c）kJ•mol^-1，平衡常數(shù)表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
（2）增大壓強，CH₃OCH₃的產(chǎn)率增大（填“增大”“減小”或“不變”）．
（3）原工藝中反應(yīng)①和反應(yīng)②分別在不同的反應(yīng)器中進行，無反應(yīng)③發(fā)生．新工藝中反應(yīng)③的發(fā)生提高了CH₃OCH₃的產(chǎn)率，原因是反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率．
（4）為了尋找合適的反應(yīng)溫度，研究者進行了一系列實驗，每次實驗保持原料氣的組成、壓強、反應(yīng)時間等因素不變，實驗結(jié)果如圖．CO轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的規(guī)律是溫度低于240℃時，CO的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而增大；溫度高于240℃時，CO的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而減小，其原因是在較低溫時，各反應(yīng)體系均未達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率主要受反應(yīng)速率影響，隨著溫度的升高反應(yīng)速率增大，CO的轉(zhuǎn)化率也增大；在較高溫時，各反應(yīng)體系均已達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率主要受反應(yīng)限度影響，隨著溫度的升高平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減�。唬�

（5）已知反應(yīng)②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）某溫度下的平衡常數(shù)為400，此溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應(yīng)到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/mol•L-1	0.64	0.50	0.50

①比較此時正、逆反應(yīng)速率的大�。簐（正）＞（填“＞”“＜”或“=”）v（逆）．
②若開始只加入CH₃OH，經(jīng)10min后反應(yīng)達到平衡，平衡時CH₃OH的轉(zhuǎn)化率α（CH₃OH）=97.5%．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律計算△H；平衡常數(shù)指產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值；
（2）反應(yīng)前后氣體的氣體減小，增大壓強平衡向體積減小的方向移動；
（3）反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動；
（4）由圖表可知，在較低溫時，反應(yīng)體系均未達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率主要受反應(yīng)速率影響，隨著溫度的升高反應(yīng)速率增大，CO的轉(zhuǎn)化率也增大；在較高溫時，反應(yīng)體系均已達到平衡，隨著溫度的升高平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減��；
（5）①將各物質(zhì)的濃度帶入平衡常數(shù)表達式，將計算結(jié)果與平衡常數(shù)進行比較，從而判斷平衡移動方向；
②若開始只加入CH₃OH，經(jīng)10min后反應(yīng)達到平衡，假設(shè)開始加入的甲醇為1mol，設(shè)轉(zhuǎn)化的甲醇為xmol，表示出平衡時各組分物質(zhì)的量，反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，可以用物質(zhì)的量代替濃度計算平衡常數(shù)，根據(jù)平衡常數(shù)列方程計算解答．

解答 解：（1）已知①2H₂（g）+CO（g）???CH₃OH（g）△H=a kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=b kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=c kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=（2a+b+c）kJ•mol^-1，
平衡常數(shù)指產(chǎn)物濃度系數(shù)次冪的乘積與反應(yīng)物濃度系數(shù)次冪的乘積的比值，所以K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
故答案為：（2a+b+c）kJ•mol^-1；$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（2）反應(yīng)前后氣體的氣體減小，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即向正反應(yīng)方向移動，CH₃0CH₃的產(chǎn)率增大；
故答案為：增大；
（3）反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率，
故答案為：反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率；
（4）由圖表可知，溫度低于240℃時，CO的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而增大；溫度高于240℃時，CO的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而減小，
在較低溫時，各反應(yīng)體系均未達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率主要受反應(yīng)速率影響，隨著溫度的升高反應(yīng)速率增大，CO的轉(zhuǎn)化率也增大；在較高溫時，各反應(yīng)體系均已達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率主要受反應(yīng)限度影響，隨著溫度的升高平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減小，
故答案為：溫度低于240℃時，CO的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而增大；溫度高于240℃時，CO的轉(zhuǎn)化率隨著溫度的升高而減��；
在較低溫時，各反應(yīng)體系均未達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率主要受反應(yīng)速率影響，隨著溫度的升高反應(yīng)速率增大，CO的轉(zhuǎn)化率也增大；在較高溫時，各反應(yīng)體系均已達到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率主要受反應(yīng)限度影響，隨著溫度的升高平衡向逆反應(yīng)方向移動，CO的轉(zhuǎn)化率減��；
（5）①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達式為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，將所給濃度帶入平衡常數(shù)表達式：$\frac{0.5×0.5}{0.4{4}^{2}}$=1.29＜400，故反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率；
故答案為：＞；
②若開始只加入CH₃OH，經(jīng)10min后反應(yīng)達到平衡，假設(shè)開始加入的甲醇為1mol，設(shè)轉(zhuǎn)化的甲醇為xmol，則：
                       2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：1                       0                      0
變化量（mol）：x                      0.5x                 0.5x
平衡量（mol）：1-x                     0.5x                   0.5x
反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量不變，可以用物質(zhì)的量代替濃度計算平衡常數(shù)，則$\frac{0.5x×0.5x}{（1-x）2}$=400mol，解得x=0.975，故甲醇的轉(zhuǎn)化率為$\frac{0.975}{1}$×100%=97.5%；
故答案為：97.5%．

點評 本題考查蓋斯定律、化學(xué)平衡計算、平衡常數(shù)應(yīng)用、注意理解掌握平衡常數(shù)的應(yīng)用，本題較為綜合，題量較大，注意“始、轉(zhuǎn)、平”是解決有關(guān)化學(xué)平衡的“三段論”解題法，難度中等．