Question

碳酸二甲酯（DRC）是一種新型的汽油添加劑．可由甲醇和二氧化碳在催化劑作用下直接合成DRC：CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，但甲醇轉(zhuǎn)化率通常很低，這制約了該反應(yīng)走向工業(yè)化應(yīng)用．某有機化學研究所為了評價催化劑的催化效果，在保持其他條件不變的情況下，研究溫度、反應(yīng)時間、催化劑用量分別對轉(zhuǎn)化數(shù)（TON）的影響．計算公式為：TON=轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量/催化劑的物質(zhì)的量．

（1）根據(jù)圖1判斷該反應(yīng)在平衡后升高溫度化學平衡的移動方向并說明理由：

 

．
（2）根據(jù)圖2，已知溶液總體積20沒L，反應(yīng)起始時甲醇為0.50mol，加入的催化劑為0.8×10^-5 mol，計算該溫度下，4～10h內(nèi)DRC的平均反應(yīng)速率：

 

；計算10h時，甲醇的轉(zhuǎn)化率：

 

．
（3）根據(jù)圖3，判斷下列說法不正確的是

 

．
A．通過上述反應(yīng)可以利用易得且價廉的甲醇把溫室氣體CO₂轉(zhuǎn)化為環(huán)保添加劑，這在資源循環(huán)利用和環(huán)境保護方面都具有實際意義
B．在溫度、容器體積、催化劑用量一定的已經(jīng)達到平衡的體系中，
加入二氧化碳氣體，將提高該反應(yīng)的TON
C．當催化劑用量小于1.2×10^-5mol時，甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率隨
著催化劑用量的增加而顯著提高
D．當催化劑用量大于1.2×10^-5 mol時，DRC的產(chǎn)率隨著催化劑用量的增加反而急劇下降
（4）200℃時由甲醇和二氧化碳在催化劑作用下直接合成DRC（此時反應(yīng)物和生成物均為氣體．）的平衡常數(shù)表達式為

 

．若甲醇和DRC的標準燃燒熱分別為△H₁和△H₂，則上述反應(yīng)在25℃時的焓變△H₃=

 

．

Answer 1

考點：化學平衡的計算,用蓋斯定律進行有關(guān)反應(yīng)熱的計算,化學平衡的影響因素

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）分析溫度對反應(yīng)影響分析，隨溫度升高，TON先增大后減小，說明低溫時反應(yīng)正向進行，180°C達到最大，說明反應(yīng)達到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫TON減小，說明平衡逆向進行，依據(jù)平衡移動原理分析正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；
（2）依據(jù)圖象分析，4～10h內(nèi)TON為10，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

，計算轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量，結(jié)合反應(yīng)速率還能計算得到甲醇反應(yīng)速率，反應(yīng)速率之比等于化學方程式計量數(shù)之比得到DMC的平均反應(yīng)速率；
（3）在催化劑作用下，可由甲醇和CO₂直接合成碳酸二甲酯（DMC）：CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，依據(jù)化學平衡原理和影響因素分析判斷平衡移動方向，結(jié)合TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

計算分析判斷選項；
（4）依據(jù)化學方程式CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，結(jié)合平衡常數(shù)概念書寫表達式．

解答： 解：（1）隨溫度升高，TON先增大后減小，說明低溫時反應(yīng)正向進行，180°C達到最大，說明費用達到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫TON減小，說明平衡逆向進行，逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，依據(jù)平衡移動原理分析正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，△H＜0，
故答案為：升溫平衡向左移動，經(jīng)過相同的反應(yīng)時間，溫度較低時，反應(yīng)未達到平衡，溫度較高時，反應(yīng)已達到平衡，隨著溫度升高，TON減小，即平衡向左移動，說明該反應(yīng)放熱；
（2）圖象分析，4～7h內(nèi)TON為15，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

，計算轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量=15×0.8×10^-5 mol=1.2×10^-4mol，反應(yīng)甲醇的反應(yīng)速率=

1.2×10-4mol 0.02L

(10-4)h

=1×10^-3mol/L?h，V（DMC）=

1

2

V（CH₃OH）=5.0×10^-4mol/L?h，10h轉(zhuǎn)化甲醇物質(zhì)的量=35×0.8×10^-5 mol=2.8×10^-4mol，甲醇轉(zhuǎn)化率=

2.8×10-4mol

0.5mol

×100%=5.6×10^-2%
故答案為：5.0×10^-4 mol?L^-1?h^-1；5.6×10^-2%；
（3）在催化劑作用下，可由甲醇和CO₂直接合成碳酸二甲酯（DMC）：CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，
A．依據(jù)反應(yīng)化學方程式可知，甲醇和二氧化碳反應(yīng)生成DMC和水，由甲醇和CO₂直接合成DMC，可以利用甲醇把影響環(huán)境的溫室氣體CO₂轉(zhuǎn)化為資源，在資源循環(huán)利用和環(huán)境保護方面都具有重要意義，故A正確；
B．在反應(yīng)體系中添加合適的脫水劑，減少生成物濃度，平衡正向進行，將提高該反應(yīng)的TON，故B正確；
C．當催化劑用量低于1.2×10^-5mol時，轉(zhuǎn)化數(shù)增大，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

分析，催化劑改變反應(yīng)速率縮短反應(yīng)時間，不改變轉(zhuǎn)化率，故C錯誤；
D．當催化劑用量高于1.2×10^-5mol時，隨著催化劑用量的增加，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

分析，轉(zhuǎn)化數(shù)減小，DMC的產(chǎn)率不變，故D錯誤；
故答案為：CD；
（4）依據(jù)化學方程式CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，結(jié)合平衡常數(shù)概念書寫表達式K=

c(H2O)c[CO(OCH3)]

c(CO2)c2(CH3OH)

；若甲醇和DRC的標準燃燒熱分別為△H₁和△H₂，書寫燃燒熱的熱化學方程式①CH₃OH（l）+

3

2

O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（l）△H₁，②CO（OCH₃）₂（l）+3O₂=3CO₂（g）+3H₂O（g）△H₂，
依據(jù)蓋斯定律計算①×2-②得到CO₂（g）+2CH₃OH（l）→CO（OCH₃）₂（l）+H₂O（l），△H₃=2△H₁-△H₂，

則上述反應(yīng)在25℃時的焓變△H_3⁼2△H₁-△H₂；
故答案為：

c(H2O)c[CO(OCH3)]

c(CO2)c2(CH3OH)

；2△H₁-△H₂．

點評：本題考查圖象分析方法，熱化學方程式和燃燒熱概念計算，平衡影響因素，反應(yīng)速率和轉(zhuǎn)化率計算應(yīng)用，明確習題中的信息及有關(guān)計算是解答本題的關(guān)鍵，題目難度中等．