Question

【題目】開發(fā)清潔能源是當(dāng)今化工研究的一個(gè)熱點(diǎn)問題。二甲醚（CH3OCH3）在未來可能替代柴油和液化氣作為潔凈液體燃料使用，工業(yè)上以CO和H2為原料生產(chǎn)CH3OCH3。工業(yè)制備二甲醚在催化反應(yīng)室中（壓力2.0～10.0Mpa，溫度230～280℃）進(jìn)行下列反應(yīng)：

①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) △H1=-99kJ·mol-1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) △H2=-23.5kJ·mol-1

③CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) △H3=-41.2kJ·mol-1

（1）催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)，計(jì)算△H=___。反應(yīng)原料來自煤的氣化。已知該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為K=，每生成1molH2需要吸收131.3kJ的熱量。寫出該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式___。

（2）在該條件下，若反應(yīng)①的起始濃度分別為：c(CO)=0.6mol·L-1，c(H2)=1.4mol·L-1，8min后達(dá)到平衡，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，則8min內(nèi)H2的平均反應(yīng)速率為___。

（3）在t℃時(shí)，反應(yīng)②的平衡常數(shù)為400，此溫度下，在1L的密閉容器中加入一定的甲醇，反應(yīng)到某時(shí)刻測(cè)得各組分的物質(zhì)的量濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c(mol·L－1)	0.46	1.0	1.0

此時(shí)刻v正___v逆（填“＞”“＜”或“＝”），平衡時(shí)c(CH3OCH3)的物質(zhì)的量濃度是___。

（4）在（1）小題中催化反應(yīng)室的總反應(yīng)3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率a(CO)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示，圖中X代表___（填“溫度”或“壓強(qiáng)”），且L1___L2（填“＞”“＜”或“＝”）

（5）在催化劑的作用下同時(shí)進(jìn)行三個(gè)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)隨著起始投料比的改變二甲醚和甲醇的產(chǎn)率（產(chǎn)物中的碳原子占起始CO中碳原子的百分率）呈現(xiàn)如圖的變化趨勢(shì)。試解釋投料比大于1.0之后二甲醚產(chǎn)率和甲醇產(chǎn)率變化的原因：__。

Answer 1

【答案】-262.7kJ·mol-1 C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g) △H=+131.3kJ·mol-1 0.075mol·L-1·min-1 ＞ 1.2mol·L-1 溫度 ＞ 當(dāng)投料比大于1時(shí)，隨著c(H2)增大，反應(yīng)①被促進(jìn)，而反應(yīng)③被抑制，c(H2O)增大，最終抑制反應(yīng)②，因此甲醇的產(chǎn)率繼續(xù)增大而二甲醚的產(chǎn)率減小

【解析】

(1)將反應(yīng)①、②、③聯(lián)立可得催化反應(yīng)室中總反應(yīng)化學(xué)方程式，根據(jù)蓋斯定律便可計(jì)算H；根據(jù)煤的氣化平衡常數(shù)表達(dá)式以及質(zhì)量守恒，可寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式，根據(jù)生成1molH2需要吸收131.3kJ的熱量可算出反應(yīng)熱；

(2)根據(jù)反應(yīng)①中CO、H2的起始濃度和CO的轉(zhuǎn)化率用三段式可計(jì)算H2的濃度變化，再利用題給時(shí)間可求出8min內(nèi)H2的平均反應(yīng)速率；

(3)先計(jì)算濃度商，將計(jì)算結(jié)果與化學(xué)平衡常數(shù)相比確定反應(yīng)方向，從而確定正逆反應(yīng)速率相對(duì)大��；根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)可計(jì)算平衡時(shí)二甲醚的物質(zhì)的量濃度；

(4)根據(jù)催化反應(yīng)室的總反應(yīng)放熱化學(xué)方程式可知CO的平衡轉(zhuǎn)化率a(CO)與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系，從而判斷X是溫度還是壓強(qiáng)，并判斷L1、L2的相對(duì)大小；

(5)根據(jù)平衡移動(dòng)原理分析起始投料比的改變?nèi)绾沃苯踊蜷g接影響反應(yīng)①、②、③，對(duì)照?qǐng)D中曲線變化，可推測(cè)投料比大于1.0之后二甲醚產(chǎn)率和甲醇產(chǎn)率變化的原因。

(1)催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g)可按以下方法聯(lián)立得到：①×2+②+③，根據(jù)蓋斯定理，該反應(yīng)△H=-99kJ·mol-1×2+(-23.5kJ·mol-1)+ (-41.2kJ·mol-1)= -262.7kJmol-1；根據(jù)煤的氣化平衡常數(shù)表達(dá)式以及質(zhì)量守恒，可寫出該反應(yīng)的化學(xué)方程式為：H2O(g)+C(s) H2(g)+CO(g)，根據(jù)生成1molH2需要吸收131.3kJ的熱量可知該反應(yīng)的△H=+131.3kJmol-1，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g) △H=+131.3kJ·mol-1。

答案為：-262.7kJmol-1；C(s)＋H2O(g)H2(g)＋CO(g) △H=+131.3kJ·mol-1；

(2)根據(jù)題給數(shù)據(jù)，CO的反應(yīng)量為0.6mol/L×50%=0.3mol/L，則有：

則8min內(nèi)H2的平均反應(yīng)速率為：v (H2)= =0.075molL-1min-1。

答案為：0.075molL-1min-1；

(3)該時(shí)刻反應(yīng)的濃度熵為：Qc = ＜400，平衡正向移動(dòng)，所以，v正＞v逆；

設(shè)平衡時(shí)CH3OCH3物質(zhì)的量濃度為x，則有：

x=0.2mol/L，則平衡時(shí)c(CH3OCH3) =1mol/L +0.2mol/L=1.2mol/L。

答案為：＞；1.2mol/L；

(4)根據(jù)催化反應(yīng)室的總反應(yīng)放熱化學(xué)方程式3CO(g)＋3H2(g)CH3OCH3(g)＋CO2(g) △H= -262.7kJmol-1，可知，正向反應(yīng)氣體減少，反應(yīng)放熱。所以，CO的平衡轉(zhuǎn)化率a(CO)隨溫度的升高而減小、隨壓強(qiáng)的增大而增大，圖中曲線隨X增大而減小，可判斷X是溫度，則L1、L2是壓強(qiáng)，且L1＞L2。

答案為：溫度；＞；

(5)結(jié)合圖象，根據(jù)平衡移動(dòng)原理隨著增大，反應(yīng)①CO轉(zhuǎn)化率增大，甲醇的產(chǎn)率增大，進(jìn)而有利于反應(yīng)②正向移動(dòng)；另一方面，隨著增大，反應(yīng)③被抑制，c(H2O)增大，進(jìn)而抑制了反應(yīng)②；圖中二甲醚產(chǎn)率隨著增大先增大后減小的原因就是這兩種因素共同作用的結(jié)果：當(dāng)投料比小于1時(shí)，以前一因素影響為主；當(dāng)投料比大于1時(shí)，以后一因素影響為主�？傊�，題給圖中投料比大于1.0之后二甲醚產(chǎn)率和甲醇產(chǎn)率變化的原因可解釋為：當(dāng)投料比大于1時(shí)，隨著c(H2)增大，反應(yīng)①被促進(jìn)，而反應(yīng)③被抑制，c(H2O)增大，最終抑制反應(yīng)②，因此甲醇的產(chǎn)率繼續(xù)增大而二甲醚的產(chǎn)率減小。

答案為：當(dāng)投料比大于1時(shí)，隨著c(H2)增大，反應(yīng)①被促進(jìn)，而反應(yīng)③被抑制，c(H2O)增大，最終抑制反應(yīng)②，因此甲醇的產(chǎn)率繼續(xù)增大而二甲醚的產(chǎn)率減小。