Question

19．二甲醚（CH₃OCH₃）是一種應用前景廣闊的清潔燃料，以CO和H₂為原料生產二甲醚主要發生以下三個反應：

編號	熱化學方程式	化學平衡常數
①	CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H1=-99kJ•mol-1	K1
②	2CH3OH（g）?CH3OCH3（g）+H2O（g）△H2=-24kJ•mol-1	K2
③	CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H3=-41kJ•mol-1	K3

回答下列問題：
（1）該工藝的總反應為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H，該反應△H=-263 kJ•mol^-1，化學平衡常數K=K₁²•K₂•K₃（用含K₁、K₂、K₃的代數式表示）；
（2）下列措施中，能提高CH₃OCH₃產率的有AD；
A．分離出二甲醚               B．升高溫度
C．改用高效催化劑             D．增大壓強
（3）工藝中反應①和反應②分別在不同的反應器中進行，無反應③發生．該工藝中反應③的發生提高了CH₃OCH₃的產率，原因是反應③消耗了反應②中的產物H₂O，使反應②的化學平衡向正反應方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產率；
（4）以n（H₂）/n（CO）=2 通入1L的反應器中，一定條件下發生反應：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H，其CO的平衡轉化率隨溫度、壓強變化關系如圖所示．下列說法正確的是CD；
A．該反應的△H＞0
B．若在p₂和316℃時反應達到平衡，則CO的轉化率小于50%
C．若在p₃和316℃時反應達到平衡，H₂的轉化率等于50%
D．若在p₃和316℃時，起始時n（H₂）/n（CO）=3，則達平衡時CO的轉化率大于50%
（5）某溫度下，將8.0mol H₂和4.0mol CO充入容積為2L的密閉容器中，發生反應：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反應達平衡后測得二甲醚的體積分數為25%，則該溫度下反應的平衡常數K=2.25．

Answer 1

分析 （1）由蓋斯定律可得，總反應3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）為方程式①×2+②+③相加所得，故△H=2△H₁+△H₂+△H₃；
化學平衡常數K=K₁²•K₂•K₃；
（2）要提高CH₃OCH₃產率，應該改變條件使平衡正向移動；
（3）新工藝中反應③消耗反應②中的產物H₂O，減小生成物的濃度，有利于平衡向正反應方向移動；
（3）勒夏特列原理：如果改變可逆反應的條件（如濃度、壓強、溫度等），化學平衡就被破壞，并向減弱這種改變的方向移動；
（4）A．升高溫度CO轉化率降低，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動；
B．增大壓強平衡正向移動，則CO轉化率增大，根據圖知，壓強P₁＞P₂＞P₃，增大壓強CO轉化率增大；
C．當反應物的物質的量之比等于其計量數之比時，反應物的轉化率相等；
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達平衡時CO的轉化率增大；
（5）可用體積分數求出各物質的濃度，然后再利用平衡常數的公式求出平衡常數，相同條件下，氣體的體積分數等于其物質的量分數，設參加反應的n（CO）=xmol，
該反應中      4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
開始（mol）8.0                 4.0                0                  0
反應（mol）2x                 x                  0.5x             0.5x
平衡（mol）8.0-2x           4.0-x            0.5x              0.5x
二甲醚物質的量分數=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}$×100%=25%，
x=3
則平衡時c（H₂）=$\frac{8.0-6.0}{2}$=1mol/L、c（CO）=$\frac{4-3}{2}$=0.5mol/L、c（CH₃OCH₃）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L、c（H₂O）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L，化學平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）{c}^{2}（CO）}$．

解答 解：（1）由蓋斯定律可得，總反應3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）為方程式①×2+②+③相加所得，故△H=2△H₁+△H₂+△H₃=2×（-99）-24-41=-263 kJ•mol^-1；總反應的平衡常數等于分反應的平衡常數之積，則K=K₁²•K₂•K₃．
故答案為：-263 kJ•mol^-1；K₁²•K₂•K₃；
（2）A．分離出二甲醚，使平衡正向移動，所以能提高二甲醚的產率，故正確；
B．升高溫度，平衡逆向移動，降低二甲醚的產率，故錯誤；
C．改用高效催化劑只能改變化學反應速率，不影響平衡移動，不改變二甲醚產率，故錯誤；
D．增大壓強平衡正向移動，提高二甲醚產率，故正確；
故答案為：AD；
（3）（4）反應③消耗了反應②中的產物H₂O，使反應②的化學平衡向正反應方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產率，
故答案為：反應③消耗了反應②中的產物H₂O，使反應②的化學平衡向正反應方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產率；
（4）A．升高溫度CO轉化率降低，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動，則該反應△H＜0，故A錯誤；
B．增大壓強平衡正向移動，則CO轉化率增大，根據圖知，壓強P₁＞P₂＞P₃，增大壓強CO轉化率增大，CO轉化率應該大于50%，故B錯誤；
C．當反應物的物質的量之比等于其計量數之比時，反應物的轉化率相等，所以若在p₃和316℃時反應達到平衡，H₂的轉化率等于50%，故C正確；
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達平衡時CO的轉化率增大，所以CO轉化率大于50%，故D正確；
故答案為：CD；
（5）相同條件下，氣體的體積分數等于其物質的量分數，設參加反應的n（CO）=xmol，
該反應中 4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
開始（mol）8.0 4.0 0 0
反應（mol）2x x 0.5x 0.5x
平衡（mol）8.0-2x 4.0-x 0.5x 0.5x
二甲醚物質的量分數=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}$×100%=25%，
x=3
則平衡時c（H₂）=$\frac{8.0-6.0}{2}$=1mol/L、c（CO）=$\frac{4-3}{2}$=0.5mol/L、c（CH₃OCH₃）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L、c（H₂O）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L，化學平衡常數K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.75×0.75}{0．{5}^{2}×{1}^{4}}$=2.25，
故答案為：2.25．

點評 本題考查化學平衡計算、蓋斯定律、化學平衡移動影響因素等知識點，側重考查學生分析、判斷及計算能力，明確溫度、壓強對化學平衡移動影響及三段式方法在化學平衡計算中的靈活應用是解本題關鍵，題目難度中等．