Question

（2013?紹興二模）二甲醚（DME）以其優(yōu)良的性質(zhì)，被稱為21世紀(jì)的新型“清潔能源”，近年來(lái)，二甲醚最為直接的應(yīng)用是替代液化氣作民用燃料以及代替柴油作汽車燃料．二甲醚的生產(chǎn)方法也在不斷的研究中，現(xiàn)在主要有以下兩種生產(chǎn)方法．
方法一（液相兩步法）：第一步　CO+2H₂?CH₃OH     第二步 2CH₃OH?CH₃OCH₃+H₂O
方法二（液相一步法）：將甲醇的合成和脫水兩個(gè)反應(yīng)組合在一個(gè)反應(yīng)器中進(jìn)行3CO+3H₂?CH₃OCH₃+CO₂
（1）液相一步法實(shí)際是兩步法兩個(gè)反應(yīng)的組合，其選用的催化劑應(yīng)該具有

既有甲醇合成催化的功能，又有甲醇脫水催化的功能，是一種雙功能的復(fù)合催化劑

．目前一種更新的方法--CO₂加氫一步法取得了較大進(jìn)展，其反應(yīng)為：2CO₂+6H₂?2CH₃OCH₃+3H₂O 該方法包括甲醇的合成、甲醇的脫水和水氣的逆轉(zhuǎn)換反應(yīng)，其方程式如下（298K）：
CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-49.01kJ?mol^-1…①
2CH₃OH（l）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）△H=-24.02kJ?mol^-1…②
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（l）△H=41.17kJ?mol^-1…③
（2）CO₂加氫一步法與液相一步法相比有何優(yōu)點(diǎn)

原料廉價(jià)，能減少環(huán)境污染等

．
（3）寫出CO₂加氫一步法在298K下總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式

2CO₂（g）+6H₂（g）?2CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-122.04 kJ?mol^-1

．
有人對(duì)甲醇脫水轉(zhuǎn)化為甲醚過(guò)程從溫度、液體空速（在單位時(shí)間內(nèi)單位體積的催化劑表面通過(guò)的原料的量，空速越小，停留時(shí)間越長(zhǎng)，反應(yīng)程度越高，但處理能力越�。�、壓力對(duì)甲醇的轉(zhuǎn)化率影響進(jìn)行研究，分別獲得以下2組圖．

（4）根據(jù)以上兩幅圖選擇不受空速影響的合適反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)

320℃、0.2-0.6Mpa

．
（5）某溫度下在2L恒容密閉容器中加入CH₃OH發(fā)生反應(yīng)2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），測(cè)得有關(guān)數(shù)據(jù)如下：

反應(yīng)時(shí)間/min	0	1	2	3	4
c（CH3OH）/mol?L-1	0.51	0.2	0.1	0.01	0.01

則此反應(yīng)在該溫度下的平衡常數(shù)為

625

，若再向容器分別加入甲醇0.02mol、CH₃OCH₃1.0mol，此時(shí)該反應(yīng)v_{正反應(yīng)}

＞

v_{逆反應(yīng)}（填“＞”、“＜”或“=”）．
（6）根據(jù)文獻(xiàn)，甲醇轉(zhuǎn)化率可以根據(jù)冷凝的液相中的甲醇與水的相對(duì)百分含量來(lái)計(jì)算（忽略揮發(fā)到氣相的甲醇），若以C_w表示冷凝液中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C_M表示冷凝液中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則甲醇的轉(zhuǎn)化率Χ_M=

XM=

2CW 18

2CW 18 + CM 32

或

32Cw

32Cw+9CM)

．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)方法1可知，生成二甲醚需要一氧化碳與氫氣合成甲醇，然后甲醇脫水生成二甲醚，所以方法2使用的催化劑必須具有這兩方面功能；
（2）通過(guò)對(duì)比CO₂加氫一步法與液相一步法的反應(yīng)原理找出優(yōu)點(diǎn)；
（3）利用蓋斯定律根據(jù)熱化學(xué)方程式①×2+②得出CO₂加氫一步法在298K下總反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；
（4）分析圖1、圖2，找出不受空速影響的合適反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)；
（5）根據(jù)表中數(shù)據(jù)，3分鐘后達(dá)到平衡狀態(tài)，計(jì)算出該反應(yīng)的平衡常數(shù)；向容器分別加入甲醇0.02mol、CH₃OCH₃1.0mol，重新計(jì)算出濃度商，與化學(xué)平衡常數(shù)對(duì)比，判斷平衡移動(dòng)方向；
（6）可以設(shè)出冷凝液總質(zhì)量為mg，然后列式計(jì)算出甲醇的轉(zhuǎn)化率．

解答：解：（1）由方法1可知，生成二甲醚需要一氧化碳與氫氣合成甲醇，然后甲醇脫水生成二甲醚，所以方法2使用的催化劑必須具有這兩方面功能的復(fù)合催化劑，
故答案為：既有甲醇合成催化的功能，又有甲醇脫水催化的功能，是一種雙功能的復(fù)合催化劑；
（2）通過(guò)反應(yīng)原理可以看出，CO₂加氫一步法原料是二氧化碳，原料廉價(jià)，產(chǎn)物是二甲醚和水，產(chǎn)物減少了環(huán)境污染，
故答案為：原料廉價(jià)，能減少環(huán)境污染等；
（3）根據(jù)蓋斯定律及熱化學(xué)方程式：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-49.01kJ?mol^-1…①
2CH₃OH（l）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）△H=-24.02kJ?mol^-1…②
 ①×2+②可得熱化學(xué)方程式為：2CO₂（g）+6H₂（g）?2CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-122.04 kJ?mol^-1，
故答案為：2CO₂（g）+6H₂（g）?2CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H=-122.04 kJ?mol^-1；
（4）根據(jù)圖1、圖2可知，不受空速影響的合適反應(yīng)溫度為320℃、壓強(qiáng)在0.2-0.6Mpa，
故答案為：320℃、0.2-0.6Mpa；
（5）根據(jù)反應(yīng)方程式：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
反應(yīng)前c（CH₃OH）/mol?L^-1：0.51         0         0
3分鐘后達(dá)到平衡狀態(tài)濃度：0.01      0.25       0.25
平衡常數(shù)為：

0.25×0.25

(0.01)2

=625，
再向容器分別加入甲醇0.02mol、CH₃OCH₃1.0mol反應(yīng)的濃度商為：

(1.0+0.25)×0.25

(0.03)2

≈347.2＜625，平衡向著正向移動(dòng)，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，
故答案為：625；＞；
（6）設(shè)冷凝液總質(zhì)量為mg，水的物質(zhì)的量為：

m?CW

18

mol，甲醇的物質(zhì)的量為：

m?CM

32

mol，
根據(jù)反應(yīng)2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）可知，生成

m?CW

18

mol水，需要消耗甲醇的物質(zhì)的量為：2×

m?CW

18

mol，
甲醇的質(zhì)量為：XM=

m?CM 32

2m?CW 18 + m?CM 32

=

32Cw

32Cw+9CM)

，
故答案為：XM=

2CW 18

2CW 18 + CM 32

或

32Cw

32Cw+9CM)

．

點(diǎn)評(píng)：本題借助二甲醚的制取，考查了化學(xué)方案的評(píng)價(jià)、轉(zhuǎn)化率計(jì)算、應(yīng)用蓋斯定律書寫熱化學(xué)方程式等知識(shí)，題目比較綜合，充分考查學(xué)生的分析、理解能力，難度稍大．