Question

【題目】開發(fā)清潔能源是當(dāng)今化工研究的一個熱點問題。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) ΔH1=-99kJ·mol1

②2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g) ΔH2=-23.5kJ·mol1

③CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH3=-41.2kJ·mol1

(1)催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)，計算ΔH=_______。反應(yīng)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1mol H2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·L1，c(H2)=1.4mol·L1，8min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，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)到某時刻測得各組分的物質(zhì)的量濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c(mol·L1)	0.46	1.0	1.0

此時刻v正___v逆(填“＞”“＜”或“＝”)，平衡時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、壓強的關(guān)系如圖所示，圖中X代表___(填“溫度”或“壓強”)，且L1___L2(填“＞”“＜”或“＝”)。

(5)在催化劑的作用下同時進(jìn)行三個反應(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。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·mol1 C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g)ΔH=+131.3kJ·mol1 0.075mol·L1·min1 ＞ 1.2mol·L1 溫度 ＞ 當(dāng)投料比大于1時，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）催化反應(yīng)室中的總反應(yīng)3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)，根據(jù)蓋斯定理可按以下方法聯(lián)立得到：①×2+②+③，該反應(yīng)ΔH=-99kJ·mol1×2+(-23.5kJ·mol1)+(-41.2kJ·mol1)= -262.7kJ·mol1；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1mol H2需要吸收131.3kJ的熱量可知該反應(yīng)的ΔH=+131.3kJmol1，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g) ΔH=+131.3kJ·mol1；

（2）根據(jù)題給數(shù)據(jù)，CO的反應(yīng)量為0.6mol/L×50%=0.3mol/L，H2的反應(yīng)量為0.6mol/L，則8min內(nèi)H2的平均反應(yīng)速率為：v(H2)==0.075molL1min1；

（3）該時刻反應(yīng)的濃度熵為：Qc=＜400，反應(yīng)正向進(jìn)行，所以，v正＞v逆；設(shè)從該時刻至達(dá)到平衡時CH3OCH3物質(zhì)的量濃度變化量為x，則有：

，解得x=0.2，則平衡時c(CH3OCH3)=1mol/L+0.2mol/L=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) ΔH=-262.7kJ·mol1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α(CO)隨溫度的升高而減小、隨壓強的增大而增大，圖中曲線隨X增大而減小，可判斷X是溫度，則L1、L2是壓強，且L1＞L2；

（5）結(jié)合圖象，根據(jù)平衡移動原理隨著增大，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；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，題給圖中投料比大于1.0之后二甲醚產(chǎn)率和甲醇產(chǎn)率變化的原因可釋為：當(dāng)投料比大于1時，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。