Question

7．二甲醚（CH₃OCH₃）是一種應(yīng)用前景廣闊的清潔燃料，以CO和H₂為原料生產(chǎn)二甲醚主要發(fā)生以下三個(gè)反應(yīng)：

編號(hào)	熱化學(xué)方程式	化學(xué)平衡常數(shù)
①	CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H1	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）已知反應(yīng)①中的相關(guān)的化學(xué)鍵鍵能數(shù)據(jù)如下：

化學(xué)鍵	H-H	C-O	C=O	H-O	C-H
E/（kJ．mol-1）	436	343	1076	465	413

由上述數(shù)據(jù)計(jì)算△H₁=-99 kJ•mol^-1．
（2）該工藝的總反應(yīng)為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H
該反應(yīng)△H=-263 kJ•mol^-1，化學(xué)平衡常數(shù)K=K₁²•K₂•K₃（用含K₁、K₂、K₃的代數(shù)式表示）．
（3）下列措施中，能提高CH₃OCH₃產(chǎn)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(qiáng)
（4）工藝中反應(yīng)①和反應(yīng)②分別在不同的反應(yīng)器中進(jìn)行，無(wú)反應(yīng)③發(fā)生．該工藝中反應(yīng)③的發(fā)生提高了CH₃OCH₃的產(chǎn)率，原因是反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率．
（5）以$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2 通入1L的反應(yīng)器中，一定條件下發(fā)生反應(yīng)：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H，其CO的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強(qiáng)變化關(guān)系如圖所示．下列說法正確的是CD．
A．該反應(yīng)的△H＞0
B．若在p₂和316℃時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，則CO的轉(zhuǎn)化率小于50%
C．若在p₃和316℃時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡，H₂的轉(zhuǎn)化率等于50%
D．若在p₃和316℃時(shí)，起始時(shí)$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達(dá)平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率大于50%
E．若在p₁和200℃時(shí)，反應(yīng)達(dá)平衡后保持溫度和壓強(qiáng)不變，再充入2mol H₂和1mol CO，則平衡時(shí)二甲醚的體積分?jǐn)?shù)增大
（6）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(fā)生反應(yīng)：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反應(yīng)達(dá)平衡后測(cè)得二甲醚的體積分?jǐn)?shù)為25%，則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2.25．

Answer 1

分析 （1）△H等于反應(yīng)物的鍵能減去生成物的鍵能；
（2）蓋斯定律：化學(xué)反應(yīng)的反應(yīng)熱只與反應(yīng)體系的始態(tài)和終態(tài)有關(guān)，而與反應(yīng)的途徑無(wú)關(guān)；
（3）總反應(yīng)的平衡常數(shù)等于分反應(yīng)的平衡常數(shù)之積；
（4）勒夏特列原理：如果改變可逆反應(yīng)的條件（如濃度、壓強(qiáng)、溫度等），化學(xué)平衡就被破壞，并向減弱這種改變的方向移動(dòng)；
（5）催化劑不會(huì)影響化學(xué)平衡移動(dòng)；
（6）可用體積分?jǐn)?shù)求出各物質(zhì)的濃度，然后再利用平衡常數(shù)的公式求出平衡常數(shù)．

解答 解：（1）由△H等于反應(yīng)物的鍵能減去生成物的鍵能，可求得反應(yīng)①的△H₁=1076+2×436-343-465-3×413=-99 kJ•mol^-1，故答案為：-99 kJ•mol^-1；
（2）由蓋斯定律可得，總反應(yīng)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(yīng)的平衡常數(shù)等于分反應(yīng)的平衡常數(shù)之積，則K=K₁²•K₂•K₃．
故答案為：-263 kJ•mol^-1；K₁²•K₂•K₃；
（3）由勒夏特列原理，對(duì)于3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）為了提高CH₃OCH₃產(chǎn)率，反應(yīng)需要向正反應(yīng)方向移動(dòng)，因此通過減小氣體體積、降溫、減少產(chǎn)物的量可以實(shí)現(xiàn)，而催化劑對(duì)化學(xué)平衡的移動(dòng)沒有影響，由此可知A、D正確．
故答案為：AD；
（4）反應(yīng)②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反應(yīng)③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），由此可知，反應(yīng)③消耗反應(yīng)②中的水，根據(jù)勒夏特列原理可知，可提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率．
故答案為：反應(yīng)③消耗了反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，使反應(yīng)②的化學(xué)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，從而提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率；
（5）由圖象可知，反應(yīng)溫度升高，CO的轉(zhuǎn)化率降低，說明該正反應(yīng)方向?yàn)榉艧岱磻?yīng)，△H＜0，A錯(cuò)誤；找出p₂，316℃坐標(biāo)點(diǎn)，可知CO的轉(zhuǎn)化率大于50%，B錯(cuò)誤；由圖可知，p3，316℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為50%，而此時(shí)H₂和CO的物質(zhì)的量之比等于系數(shù)比，即兩者的轉(zhuǎn)化率相等，所以H₂的轉(zhuǎn)化率也為50%，C正確；若增大H₂和CO的物質(zhì)的量之比，則平衡正向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率也同時(shí)升高，D正確；根據(jù)等效平衡的原理，保持溫度和壓強(qiáng)不變，充入與起始時(shí)等比值的氫氣和CO，兩種平衡等效，二甲醚的體積分?jǐn)?shù)不變，E錯(cuò)誤．
故答案為：CD；
（6）設(shè)平衡時(shí)CH₃OCH₃的物質(zhì)的量為xmol，由4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度分別為：[H₂]=4-2x，[CO]=2-x，[CH₃OCH₃]=$\frac{x}{2}$，[H₂O]=$\frac{x}{2}$．二甲醚的體積分?jǐn)?shù)為25%，也即$\frac{\frac{x}{2}}{（4-2x+2-x+\frac{x}{2}+\frac{x}{2}）}$=$\frac{1}{4}$，解得x=$\frac{3}{2}$；所以平衡時(shí)各物質(zhì)的濃度分別為：[H₂]=1，[CO]=0.5，[CH₃OCH₃]=0.75，[H₂O]=0.75，所以平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.75×0.75}{1×0.5×0.5}$=2.25．
故答案為：2.25．

點(diǎn)評(píng) 本題難度較大，綜合性非常強(qiáng)，綜合了化學(xué)平衡、轉(zhuǎn)化率、蓋斯定律等知識(shí)，注意知識(shí)的熟練運(yùn)用和基礎(chǔ)知識(shí)的理解，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵．