Question

2．近幾年，利用CO₂合成二甲醚已成為人們所關注的熱點．其反應原理如下：
反應①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₁=-49.01kJ/moL
反應②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）△H₂=-24.52kJ/moL
反應③CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（l）△H₃
請回答：
（1）CO₂轉化成二甲醚的反應原理為：
反應④：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H₄=-122.54kJ/mol．
（2）下列不能說明反應③在298K、恒容條件下達化學平衡的狀態是B．
A．v正（H₂）=v逆（H₂O）
B．n（CO₂）：n（H₂）：n（CO）：n（H₂O）=1：1：1：1
C．混合氣體的密度不變
D．混合氣體的平均相對分子質量不變
E．容器的壓強不變
（3）寫出反應②在500K時的平衡常數表達式：K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{c（{C{H}_{3}OH）}^{2}}$．
（4）如圖表示起始投料量$\frac{{H}_{2}}{C{O}_{2}}$=4時，反應③、④中CO₂的平衡轉化率隨溫度的變化關系圖，根據圖示回答下列問題：
①△H₃＞0（填寫“＞”、“＜”、“=”）
②低溫（高溫或低溫）有利于提高反應④中二甲醚的產率，請簡述理由：較低溫度下，反應③的平衡轉化率較小而反應④較大，所以低溫對反應④有利，二甲醚的產率較高．
③若起始投料量$\frac{{H}_{2}}{C{O}_{2}}$=4，起始溫度為298K，反應④在503K時達到平衡，請在答卷上畫出CO₂轉化率隨溫度升高的變化曲線．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律，①×2+②可得目標反應，據此計算出△H₄；
（2）可逆反應達到平衡狀態時，正逆反應速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，據此進行判斷；
（3）根據化學平衡常數的概念及該反應方程式寫出其表達式；
（4）①根據圖象可知，升高溫度，二氧化碳的轉化率增大，則平衡向著正向移動，據此判斷焓變；
②根據反應③為吸熱反應、反應④為放熱反應分析；
③反應④在503K時達到平衡，則在該溫度下二氧化碳的轉化率最高，據此畫出圖象．

解答 解：（1）反應①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₁=-49.01kJ/moL
反應②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）△H₂=-24.52kJ/moL，
根據蓋斯定律，①×2+②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H₄=（-49.01kJ/moL）×2+（-24.52kJ/moL）=-122.54kJ/mol，
故答案為：-122.54kJ/mol；
（2）反應③CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（l），
A．v正（H₂）=v逆（H₂O），正逆反應速率相等，達到了平衡狀態，故A正確；
B．n（CO₂）：n（H₂）：n（CO）：n（H₂O）=1：1：1：1，不能證明各組分的濃度不再變化，無法判斷是否達到平衡狀態，故B錯誤；
C．由于反應前后氣體質量不相等，在恒容條件下，反應過程中混合氣體的密度始終發生變化，所以混合氣體的密度不變，證明各組分濃度不再變化，已經達到平衡狀態，故C正確；
D．反應前后氣體混合氣體的平均相對分子質量不變，表面各組分濃度不變，該反應已經達到平衡狀態，故D正確；
E．該反應是氣體體積縮小的反應，若容器的壓強不變，說明正逆反應速率相等，已經達到平衡狀態，故E正確；
故答案為：B；
（3）2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O的平衡常數表達式為：K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{c（{C{H}_{3}OH）}^{2}}$，
故答案為：K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{c（{C{H}_{3}OH）}^{2}}$；
（4）①根據圖象可知，升高溫度后反應二氧化碳的轉化率增大，說明升高溫度平衡向著正向移動，則正反應為吸熱反應，所以△H₃＞0，
故答案為：＞；
②由于反應③為吸熱反應，反應④為放熱反應，所以在較低溫度下，反應③的平衡轉化率較小而反應④較大，故低溫對反應④有利，二甲醚的產率較高，
故答案為：低溫；較低溫度下，反應③的平衡轉化率較小而反應④較大，所以低溫對反應④有利，二甲醚的產率較高；
③反應④在503K時達到平衡，則從298K開始，二氧化碳的轉化率逐漸增大，當溫度達到503K時，二氧化碳的轉化率達到最大，當溫度大于503K后，二氧化碳的轉化率會減小，則CO₂轉化率隨溫度升高的變化曲線為：，
故答案為：．

點評 本題考查較為綜合，涉及蓋斯定律的應用、化學平衡狀態的判斷、化學圖象的分析等知識，題目難度中等，明確化學平衡及其影響為解答關鍵，注意掌握蓋斯定律的內容及其應用方法，試題培養了學生的分析能力及靈活應用能力．