Question

【題目】二甲醚又稱甲醚，簡稱DME，熔點－141.5 ℃，沸點－24.9 ℃，與石油液化氣(LPG)相似，被譽為“21世紀的清潔燃料”。制備原理如下：

Ⅰ.由天然氣催化制備二甲醚：

①2CH4(g)＋O2(g) =CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH1

Ⅱ.由合成氣制備二甲醚：

②CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH2＝－90.7 kJ·mol－1

③2CH3OH(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g)　ΔH3

回答下列問題：

(1)若甲烷和二甲醚的燃燒熱分別是890.3 kJ·mol－1、1 453.0 kJ·mol－1；1 mol液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)水要吸收44.0 kJ的熱量。反應③中的相關(guān)的化學鍵鍵能數(shù)據(jù)如表：

化學鍵	H－H	C－O	H－O(水)	H－O(醇)	C－H
E (kJ · mol－1)	436	343	465	453	413

則ΔH1＝______kJ·mol－1；ΔH3＝______ kJ·mol－1

(2)反應③的化學平衡常數(shù)表達式為______________。制備原理Ⅰ中，在恒溫、恒容的密閉容器中合成，將氣體按n(CH4)∶n(O2)＝2∶1混合，能正確反映反應①中CH4 的體積分數(shù)隨溫度變化的曲線是_________________。下列能表明反應①達到化學平衡狀態(tài)的是_______________。

A．混合氣體的密度不變

B．反應容器中二甲醚的百分含量不變

C．反應物的反應速率與生成物的反應速率之比等于化學計量數(shù)之比

D．混合氣體的壓強不變

(3)有人模擬制備原理Ⅱ，在500 K時的2 L的密閉容器中充入2 mol CO和6 mol H2,8 min達到平衡，平衡時CO的轉(zhuǎn)化率為80%，c(CH3OCH3)＝0.3 mol·L－1，用H2表示反應②的速率是__________；可逆反應③的平衡常數(shù)K3＝_________。若在500 K時，測得容器中n(CH3OH)＝n(CH3OCH3)，此時反應③v(正)_________v(逆)，說明原因____________________。

Answer 1

【答案】-283.6 -24 M BD 0.2 mol/(L·min) 2.25 > Qc＝＝＝1< 2.25，反應正向進行，v(正)>v(逆)

【解析】

（1）根據(jù)反應熱ΔH=反應物的總鍵能-生成物的總鍵能進行計算；

（2）平衡常數(shù)K為生成物濃度冪之積除以反應物濃度冪之積；反應①為放熱反應，溫度升高，平衡逆向移動，CH4的體積分數(shù)隨溫度升高而升高，據(jù)此判斷；

制備原理Ⅰ中，由于是在恒溫、恒容的密閉容器中合成，且反應①各物質(zhì)均是，

A.該反應氣體總質(zhì)量不變，體積不變，混合氣體的密度一直不變；

B.當反應容器中各物質(zhì)的百分含量不變時，該反應達到平衡狀態(tài)；

C.反應物的反應速率與生成物的反應速率之比等于化學計量數(shù)之比在任何時候都成立，不一定是平衡狀態(tài)；

D.該裝置是恒容容器，反應為非等體積反應，混合氣體的壓強不變時達到平衡狀態(tài)；

（3）根據(jù)三段法計算平衡時各物質(zhì)的濃度，利用v=計算氫氣的速率及平衡常數(shù)；利用平衡常數(shù)和濃度商之間的關(guān)系判斷平衡移動的方向。

（1）若甲烷和二甲醚的燃燒熱分別是890.3 kJ·mol－1、1 453.0 kJ·mol－1；得到甲烷、二甲醚的燃燒熱化學方程式分別為④CH4(g)＋2O2(g) =CO2(g)＋2H2O(l)　ΔH4＝－890.3 kJ·mol－1；⑤CH3OCH3(g)＋3O2(g) 2CO2(g)＋3H2O(l)　ΔH5＝－1 453.0 kJ·mol－1；故④×2－⑤＝①得到：2CH4(g)＋O2(g) =CH3OCH3(g)＋H2O(l)，且1 mol 液態(tài)水變?yōu)闅鈶B(tài)水要吸收44.0 kJ的熱量，故則ΔH1＝(－890.3×2＋1 453＋44.0) kJ·mol－1＝－283.6 kJ·mol－1，根據(jù)所給鍵能，③2CH3OH(g) CH3OCH3(g)＋H2O(g)，反應物總鍵能－生成物總鍵能＝反應熱，故ΔH3＝－24 kJ·mol－1；

（2）反應③的化學平衡常數(shù)表達式為K＝；反應①是放熱反應，故溫度升高，平衡逆向移動，CH4的體積分數(shù)隨溫度升高而升高，故能正確反映反應①中CH4的體積分數(shù)隨溫度變化的曲線是M；

制備原理Ⅰ中，由于是在恒溫、恒容的密閉容器中合成，且反應①各物質(zhì)均是氣態(tài)，

A.混合氣體的密度一直不變，不能說明反應達到平衡狀態(tài)；

B.當反應容器中二甲醚的百分含量不變時，該反應達到平衡狀態(tài)；

C.反應物的反應速率與生成物的反應速率之比等于化學計量數(shù)之比在任何時候都成立，故不能說明反應達到平衡狀態(tài)；

D.該裝置是恒容容器，混合氣體的壓強不變，說明氣體總物質(zhì)的量不變，且該反應前后氣體分子總數(shù)不等，故達到平衡狀態(tài)；故選BD；

（3）由合成氣制備二甲醚：

②CO(g) ＋ 2H2(g) CH3OH(g)

起始時(mol/L) 1 3 0

轉(zhuǎn)化(mol/L) 0.8 1.6 0.8

平衡時(mol/L) 0.2　 1.4 0.8

③2CH3OH(g) CH3OCH3(g) ＋ H2O(g)

起始時(mol/L)　　 0.8　 0 0

轉(zhuǎn)化(mol/L) 0.6 0.3 0.3

平衡時(mol/L) 0.2 0.3 0.3

H2表示反應②的速率是v(H2)＝ mol·L－1·min－1＝0.2 mol/(L·min)；可逆反應③的平衡常數(shù)K3＝＝＝2.25；若在500 K時，測得容器中n(CH3OH)＝n(CH3OCH3)，則說明c(CH3OH)＝c(CH3OCH3)＝c(H2O)，則此時Qc＝＝＝1< 2.25，故反應正向進行，v(正)>v(逆)。