Question

5．二甲醚（CH₃OCH₃）是一種重要的清潔燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對臭氧層無破壞作用．工業上以CO和H₂為原料生產二甲醚CH₃OCH₃的新工藝主要發生三個反應：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-Q₁ kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-Q₂ kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-Q₃ kJ•mol^-1
回答下列問題：
（1）新工藝的總反應3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的熱化學方程式為3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-（2Q₁+Q₂+Q₃）kJ/mol．
（2）工業上一般在恒容密閉容器中采用下列反應合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H．下表所列數據是該反應在不同溫度下的化學平衡常數（Κ）．

溫度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①由表中數據判斷△H＜0 （填“＞”、“=”或“＜”）．能夠說明某溫度下該反應是平衡狀態的是A、C．
A．體系的壓強不變                   
B．密度不變
C．混合氣體的相對分子質量不變       
D．c（CO）=c（CH₃OH）
②某溫度下，將 2mol CO和 6mol H₂ 充入2L的密閉容器中，充分反應 10min后，達到平衡時測得c（CO）=0.2mol/L，計算此溫度下的平衡常數K=2.04．

（3）工業生產是把水煤氣中的混合氣體經過處理后獲得的較純H₂用于合成氨．合成氨反應原理為：N₂（g）+3H₂（g）$?_{催化劑}^{高溫高壓}$ 2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．實驗室模擬化工生產，在恒容密閉容器中充入一定量N₂和H₂后，分別在不同實驗條件下反應，N₂濃度隨時間變化如圖1．請回答下列問題：
①與實驗Ⅰ比較，實驗Ⅱ改變的條件為加入催化劑．
②在實驗Ⅲ中改變條件為采用比實驗Ⅰ更高的溫度，請在圖2中畫出實驗Ⅰ和實驗Ⅲ中c（NH₃）隨時間變化的示意圖．

Answer 1

分析 （1）反應3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）可以看作題中①×2+②+③得到，根據蓋斯定律可寫出熱化學方程式；
（2）①根據溫度對平衡常數的影響判斷反應的熱效應，根據平衡狀態的特征判斷平衡狀態；
②根據平衡常數等于生成濃度系數次冪之積除以反應濃度系數次冪之積，結合反應中各物質平衡濃度可計算平衡常數；
（3）①根據圖象可知，實驗Ⅱ與實驗Ⅰ相比，反應達到平衡的時間變短，平衡不移動，據此判斷；
②合成氨反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡時氨氣濃度減小，但反應速率變快，所以達到平衡的時間變短，據此可畫出圖象．

解答 解：（1）根據蓋斯定律，①×2+②+③，整理可得：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-（2Q₁+Q₂+Q₃） kJ/mol，
故答案為：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-（2Q₁+Q₂+Q₃）kJ/mol；
（2）①升高溫度，化學平衡常數減小，說明升高溫度，平衡逆向移動，逆反應方向是吸熱反應，所以該反應的正反應是放熱反應，所以△H＜0；
A．由于該反應是反應前后氣體體積不等的反應，若未達到平衡，則體系的壓強就會發生改變，所以體系的壓強不變，則反應達到平衡狀態，正確；
B．密度不變由于反應混合物都是氣體，所以在任何時刻物質的密度都不發生變化，因此不能作為判斷平衡的標志，錯誤；
C．由于該反應是反應前后氣體體積不等的反應，若未達到平衡，則體系的氣體的物質的量就會發生變化，氣體的相對分子質量就會改變，若氣體的相對分子質量不變，則反應達到平衡狀態，正確；
D．c（CO）=c（CH₃OH）時反映可能處于平衡狀態，也可能未達到平衡，因此不能作為判斷平衡的標志，錯誤；
故答案為：＜； A、C；
②某溫度下，在反應開始是c（CO）=1.0mol/L，c（H₂）=3.0mol/L，將 2mol CO和 6mol H₂，充分反應 10min后，達到平衡時測得c（CO）=0.2mol/L，則平衡時c（H₂）=1.4mol/L，c（CH₃OH）=0.8mol/L，則此溫度下的平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×1．{4}^{2}}$=2.04，
故答案為：2.04；
（3）①根據圖象可知：與實驗Ⅰ比較，實驗Ⅱ反應速率大大加快，達到平衡所需要的時間縮短，但是N₂平衡濃度沒有改變，因此平衡未發生移動，則改變的條件為加入催化劑，
故答案為：加入催化劑；
②在實驗Ⅲ中改變條件為采用比實驗Ⅰ更高的溫度，由于升高溫度化學反應速率加快，達到平衡所需要的時間縮短，但是由于該反應是放熱反應，升高溫度，平衡向吸熱的逆反應方向移動，因此達到平衡時NH₃的含量降低，用圖象表示實驗I和實驗Ⅲ中NH₃濃度隨時間變化的示意圖是，
故答案為：．

點評 本題主要考查熱化學方程式的書寫、反應熱效應的判斷、平衡狀態的判斷、催化劑、溫度對平衡移動的影響的圖象法表示、化學平衡常數的計算的知識，中等難度，答題時注意對平衡常數的理解和平衡移動原理的靈活運用．