Question

9．二甲醚（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)生以下三個反應(yīng)：

編號	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	K2
③	CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H3=-41kJ/mol	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(shè)	C-O	H-O	C-H
E/（kJ/mol）	436	1076	343	465	413

由上述數(shù)據(jù)計(jì)算△H₁=-99kJ/mol．
（2）該工藝的總反應(yīng)為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H
該反應(yīng)△H=-263kJ/mol，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)平衡右移．
（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℃時反應(yīng)達(dá)到平衡，H₂的轉(zhuǎn)化率等于50%
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率大于50%
E．若在p₁和200℃時，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）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；
化學(xué)平衡常數(shù)K=K₁²•K₂•K₃；
（3）要提高CH₃OCH₃產(chǎn)率，應(yīng)該改變條件使平衡正向移動；
（4）新工藝中反應(yīng)③消耗反應(yīng)②中的產(chǎn)物H₂O，減小生成物的濃度，有利于平衡向正反應(yīng)方向移動；
（5）A．升高溫度CO轉(zhuǎn)化率降低，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動；
B．增大壓強(qiáng)平衡正向移動，則CO轉(zhuǎn)化率增大，根據(jù)圖知，壓強(qiáng)P₁＞P₂＞P₃，增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率增大；
C．當(dāng)反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比等于其計(jì)量數(shù)之比時，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等；
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率增大；
E．若在p₁和200℃時，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，容器體積增大一倍，所以CO和氫氣濃度與第一次相同，所以再次達(dá)到平衡時各物質(zhì)含量不變；
（6）相同條件下，氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，設(shè)參加反應(yīng)的n（CO）=xmol，
該反應(yīng)中4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
開始（mol）8.0           4.0             0                     0
反應(yīng)（mol）2x            x                0.5x                0.5x
平衡（mol）8.0-2x      4.0-x           0.5x               0.5x
二甲醚物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}×100%$=25%，
x=3
則平衡時c（H₂）=$\frac{8.0-6.0}{2}$=1mol/L、c（CO）=$\frac{4-3}{2}$=0.5mol/L、c（CH₃OCH₃）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L、c（H₂O）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）．c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）．{c}^{2}（CO）}$．

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）A．分離出二甲醚，使平衡正向移動，所以能提高二甲醚的產(chǎn)率，故正確；
B．升高溫度，平衡逆向移動，降低二甲醚的產(chǎn)率，故錯誤；
C．改用高效催化劑只能改變化學(xué)反應(yīng)速率，不影響平衡移動，不改變二甲醚產(chǎn)率，故錯誤；
D．增大壓強(qiáng)平衡正向移動，提高二甲醚產(chǎn)率，故正確；
故選AD；
（4）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，從而提高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；
（5）A．升高溫度CO轉(zhuǎn)化率降低，說明平衡逆向移動，升高溫度平衡向吸熱方向移動，則該反應(yīng)△H＜0，故A錯誤；
B．增大壓強(qiáng)平衡正向移動，則CO轉(zhuǎn)化率增大，根據(jù)圖知，壓強(qiáng)P₁＞P₂＞P₃，增大壓強(qiáng)CO轉(zhuǎn)化率增大，CO轉(zhuǎn)化率應(yīng)該大于50%，故B錯誤；
C．當(dāng)反應(yīng)物的物質(zhì)的量之比等于其計(jì)量數(shù)之比時，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率相等，所以若在p₃和316℃時反應(yīng)達(dá)到平衡，H₂的轉(zhuǎn)化率等于50%，故C正確；
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，則達(dá)平衡時CO的轉(zhuǎn)化率增大，所以CO轉(zhuǎn)化率大于50%，故D正確；
E．若在p₁和200℃時，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，容器體積增大一倍，所以CO和氫氣濃度與第一次相同，所以再次達(dá)到平衡時各物質(zhì)含量不變，則平衡時二甲醚體積分?jǐn)?shù)不變，故E錯誤；

故選CD；
（6）相同條件下，氣體的體積分?jǐn)?shù)等于其物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)，設(shè)參加反應(yīng)的n（CO）=xmol，
該反應(yīng)中4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
開始（mol）8.0 4.0 0 0
反應(yīng)（mol）2x x 0.5x 0.5x
平衡（mol）8.0-2x 4.0-x 0.5x 0.5x
二甲醚物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}×100%$=25%，
x=3
則平衡時c（H₂）=$\frac{8.0-6.0}{2}$=1mol/L、c（CO）=$\frac{4-3}{2}$=0.5mol/L、c（CH₃OCH₃）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L、c（H₂O）=$\frac{1.5}{2}$mol/L=0.75mol/L，化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）．c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）．{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.75×0.75}{{1}^{4}×0．{5}^{2}}$=2.25，
故答案為：2.25．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、蓋斯定律、化學(xué)平衡移動影響因素等知識點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析、判斷及計(jì)算能力，明確溫度、壓強(qiáng)對化學(xué)平衡移動影響及三段式方法在化學(xué)平衡計(jì)算中的靈活應(yīng)用是解本題關(guān)鍵，題目難點(diǎn)中等．