Question

1．一種通過鐵基氧載體（Fe₃O₄/FeO）深度還原和再生來合成二甲醚（CH₃OCH₃）的原理如圖1：

（1）二甲醚的合成反應(yīng)：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H₁
①已知CO、H₂與CH₃OCH的燃燒熱（△H）分別為a kJ•mol^-1、b kJ•mol^-1、c kJ•mol^-1、（a、b、c均小于0），則△H₁=（3a+3b-c）kJ•mol^-1．
②該反應(yīng)選用CuO/ZnO/Al₂O₃復(fù)合催化劑，該催化劑能B、C（填標(biāo)號(hào)）．
A．促進(jìn)平衡正向移動(dòng)       B．提高反應(yīng)速率
C．降低反應(yīng)的活化能       D．改變反應(yīng)的焓變
（2）CH₄氧化器中發(fā)生的主反應(yīng)：
ⅰ．CH₄（g）+Fe₃O₄（s）?CO（g）+2H₂（g）+3Fe（s）
ⅱ．CH₄（g）+4Fe₃O₄（s）?CO₂（g）+2H₂O（g）+12FeO（s）
850℃時(shí)，壓強(qiáng)和部分氣體體積分?jǐn)?shù)、固相各組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)的關(guān)系如圖2．
①隨著壓強(qiáng)的增大，反應(yīng)ⅰ的平衡常數(shù)K值不變 （填“增大”、“減小”、或“不變”）
②結(jié)合圖象，分析H₂O的體積分?jǐn)?shù)變化的原因Fe₃O₄+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3FeO+H₂O（用化學(xué)方程式表示）
（3）將一定量的FeO和CO₂置于CO₂還原器（體積不變的密閉容器）中，發(fā)生的主反應(yīng)：
CO₂（g）+3FeO（s）?Fe₃O₄（s）+CO （g）△H₂
保持其他條件不變，測(cè)得不同溫度下最終反應(yīng)體系中CO、CO₂體積分?jǐn)?shù)如表：

溫度I/℃	100	170	200	300	400	500
CO2體積分?jǐn)?shù)	0.67	0.67	0.75	0.82	0.9	0.92
CO體積分?jǐn)?shù)	0.33	0.33	0.25	0.18	0.1	0.08

①△H₂＜ 0（填“＞”或“＜”）．
②若在150℃時(shí)進(jìn)行上述轉(zhuǎn)化，理論轉(zhuǎn)化率ɑ（FeO）=100%．
③在上述反應(yīng)體系中，一定可以說明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的是B、C、D（填標(biāo)號(hào)）．
A．體系的壓強(qiáng)不變          B．CO₂的物質(zhì)的量不變
C．CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零    D．氣體的平均摩爾質(zhì)量不變
④根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，分析CO₂還原器溫度設(shè)置在170℃的原因溫度過高，CO₂的轉(zhuǎn)化率低；溫度過低，反應(yīng)速率比較慢．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)CO、H₂與CH₃OCH的燃燒熱寫出三個(gè)熱化學(xué)方程式，所求反應(yīng)可以由這三個(gè)熱化學(xué)方程式推導(dǎo)，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算所求反應(yīng)的焓變；
②催化劑能降低反應(yīng)的活化能，增大化學(xué)反應(yīng)速率，但不改變化學(xué)的平衡，也不改變反應(yīng)的焓變；
（2）①化學(xué)平衡常數(shù)K只隨溫度的改變而改變；
②根據(jù)圖象分析，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H₂的含量降低，H₂O的含量增大，可推斷反應(yīng)過程中H₂轉(zhuǎn)化為了H₂O，發(fā)生的反應(yīng)為Fe₃O₄和H₂反應(yīng)生成FeO和H₂O，據(jù)此寫出反應(yīng)的化學(xué)方程式；
（3）①根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析，隨著反應(yīng)溫度的上升，平衡時(shí)CO₂的體積分?jǐn)?shù)上升，CO的體積分?jǐn)?shù)下降，表明化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，據(jù)此判斷反應(yīng)的焓變情況；
②100℃時(shí)平衡體系中CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)分別和200℃時(shí)的一樣，而反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡常數(shù)會(huì)改變，據(jù)此推斷，反應(yīng)溫度從100℃變?yōu)?00℃的過程中，正反應(yīng)趨勢(shì)應(yīng)為先升高，后降低，據(jù)此判斷150℃時(shí)進(jìn)行上述轉(zhuǎn)化的理論轉(zhuǎn)化率ɑ（FeO）；
③反應(yīng)為CO₂（g）+3FeO（s）?Fe₃O₄（s）+CO （g），是氣體數(shù)不變的反應(yīng)，壓強(qiáng)變化不對(duì)平衡常產(chǎn)生影響，結(jié)合焓變情況分析溫度變化的影響，據(jù)此判斷反應(yīng)達(dá)到平衡的標(biāo)志；
④根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，CO₂還原器溫度設(shè)置在170℃的原因，可考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)趨勢(shì)，綜合考慮解答．

解答 解：（1）①已知CO、H₂與CH₃OCH₃的燃燒熱（△H）分別為a kJ/mol、b kJ/mol、c kJ/mol、（a、b、c均小于0），則三者的熱化學(xué)方程式為：
①CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H₁=akJ/mol，
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（l）△H₂=bkJ/mol，
③CH₃OCH₃（g）+3O₂（g）=2CO₂（g）+3H₂O（l）△H₃=ckJ/mol，
所求反應(yīng)式為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），該反應(yīng)可由①×3+②×3-③得到，根據(jù)蓋斯定律，該反應(yīng)的焓變?yōu)椤鱄=3△H₁+3△H₂-△H₃=（3a+3b-c）kJ/mol，
故答案為：（3a+3b-c）；
②催化劑能降低反應(yīng)的活化能，增大化學(xué)反應(yīng)速率，但不改變化學(xué)的平衡，也不改變反應(yīng)的焓變，故選B、C，
故答案為：B、C；
（2）①化學(xué)平衡常數(shù)K只隨溫度的改變而改變，所以隨著隨著壓強(qiáng)的增大，反應(yīng)ⅰ的平衡常數(shù)K值不變，
故答案為：不變；
②根據(jù)圖象分析，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，H₂的含量降低，H₂O的含量增大，可推斷反應(yīng)過程中H₂轉(zhuǎn)化為了H₂O，發(fā)生的反應(yīng)為Fe₃O₄和H₂反應(yīng)生成FeO和H₂O，則發(fā)生反應(yīng)的化學(xué)方程式為：Fe₃O₄+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3FeO+H₂O，
故答案為：Fe₃O₄+H₂$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$3FeO+H₂O；
（3）①根據(jù)圖表數(shù)據(jù)分析，隨著反應(yīng)溫度的上升，平衡時(shí)CO₂的體積分?jǐn)?shù)上升，CO的體積分?jǐn)?shù)下降，表明化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以升高溫度，化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，表明正反應(yīng)方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)，所以反應(yīng)的焓變△H＜0，
故答案為：＜；
②100℃時(shí)平衡體系中CO₂和CO的體積分?jǐn)?shù)分別和200℃時(shí)的一樣，而反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡常數(shù)會(huì)改變，據(jù)此推斷，反應(yīng)溫度從100℃變?yōu)?00℃的過程中，正反應(yīng)趨勢(shì)應(yīng)為先升高，后降低，不妨取CO₂的總量為1，若FeO起始量也取為1，平衡時(shí)，CO₂的量為0.67，反應(yīng)轉(zhuǎn)化了CO₂的量為1-0.67=0.33，此時(shí)轉(zhuǎn)化了FeO的量為0.33×3=0.99≈1，150℃時(shí)，轉(zhuǎn)化率增加，因此理論上若在150℃時(shí)進(jìn)行上述轉(zhuǎn)化，則理論轉(zhuǎn)化率ɑ（FeO）可以達(dá)到100%，主要是考慮到反應(yīng)為氣相反應(yīng)，固體的量并不影響化學(xué)的平衡，
故答案為：100%；
③反應(yīng)為CO₂（g）+3FeO（s）?Fe₃O₄（s）+CO （g），是氣體數(shù)不變的反應(yīng)，壓強(qiáng)變化不對(duì)平衡常產(chǎn)生影響，該反應(yīng)的焓變△H＜0，反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
A．體系的壓強(qiáng)整個(gè)反應(yīng)過程不發(fā)生改變，根據(jù)壓強(qiáng)不能判斷反應(yīng)是否達(dá)到化學(xué)平衡，故A錯(cuò)誤；
B．CO₂的物質(zhì)的量不變，達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，該反應(yīng)的CO₂的物質(zhì)的量不發(fā)生改變，可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故B正確；
C．CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零，可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故C正確；
D．氣體的平均摩爾質(zhì)量$\overline{M}=\frac{m（氣體）}{2}$，氣體的總質(zhì)量會(huì)發(fā)生改變，整個(gè)體系的質(zhì)量不發(fā)生改變，當(dāng)達(dá)到化學(xué)平衡時(shí)，氣體的總質(zhì)量不變，此時(shí)氣體的平均摩爾質(zhì)量也不變，可以判斷化學(xué)反應(yīng)是否達(dá)到平衡，故D正確．
故選BCD；
④根據(jù)化學(xué)反應(yīng)原理，CO₂還原器溫度設(shè)置在170℃的原因，可考慮化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)反應(yīng)趨勢(shì)，溫度過高，反應(yīng)向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，導(dǎo)致CO₂的轉(zhuǎn)化率低，溫度過低，反應(yīng)速率比較慢，
故答案為：溫度過高，CO₂的轉(zhuǎn)化率低；溫度過低，反應(yīng)速率比較慢．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)原理部分知識(shí)，包含燃燒熱的含義，蓋斯定律的應(yīng)用，化學(xué)平衡的移動(dòng)，化學(xué)方程式的書寫，化學(xué)平衡的判斷，溫度對(duì)化學(xué)反應(yīng)速率的影響，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，有助于培養(yǎng)綜合分析問題的能力，另外需注意，燃燒熱是1mol物質(zhì)完全燃燒，生成標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)時(shí)，放出的熱量，對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)參考物質(zhì)，C變成CO₂（g），H₂變成H₂O（l），注意不是H₂O（g），這是易錯(cuò)點(diǎn)，題目難度中等．