Question

18．二甲醚（DME）被譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔燃料”．由合成氣制備二甲醚的主要原理如下：
反應(yīng)Ⅰ：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁
反應(yīng)Ⅱ：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂
反應(yīng)Ⅲ：2CO（g）+4H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₃
相關(guān)反應(yīng)在不同溫度時(shí)的平衡常數(shù)及其大小關(guān)系如下表所示

溫度/K	反應(yīng)Ⅰ	反應(yīng)Ⅱ	已知： K1＞K2＞K1′＞K2′
298	K1	K2
328	K1′	K2′

回答下列問題：
（1）反應(yīng)Ⅰ的△S＜0（填“＞”或“＜”）；反應(yīng)Ⅱ的平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，反應(yīng)Ⅲ是放熱反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”）．
（2）在合成過程中，因?yàn)橛蠧O（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）反應(yīng)發(fā)生，所以能提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率，原因是反應(yīng)消耗了H₂O（g）有利于反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ正向移動(dòng)；同時(shí)此反應(yīng)生成了H₂，有利于反應(yīng)I、Ⅲ正向移動(dòng)．
（3）如圖1兩條曲線分別表示反應(yīng)I（按物質(zhì)的量比：n（CO）：n（H₂）=1：2）中壓強(qiáng)為0.1MPa和5.0MPa下CO轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化關(guān)系，計(jì)算壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為200℃時(shí)，平衡混合氣中甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)是25%．
（4）反應(yīng)Ⅲ逆反應(yīng)速率與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示：
①試判斷t₂時(shí)改變的條件是升高溫度或增大生成物濃度．
②若t₄擴(kuò)大容器體積，t₅達(dá)到平衡，t₆時(shí)增大反應(yīng)物濃度，請(qǐng)?jiān)趫D2中畫出t₄-t₆的變化曲線．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)I的正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，混亂度減小；
化學(xué)平衡常數(shù)是指：一定溫度下，可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，生成物的濃度系數(shù)次冪之積與反應(yīng)物的濃度系數(shù)次冪之積的比，固體、純液體不需要在化學(xué)平衡常數(shù)中寫出；
反應(yīng)Ⅲ=Ⅰ×2+Ⅱ，則K₃=K₁²×K₂，由表中數(shù)據(jù)可知，K₁、K₂均隨溫度升高而減小，則K₃也隨溫度升高而減小，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；
（2）反應(yīng)消耗了H₂O（g）有利于反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ正向移動(dòng)；同時(shí)此反應(yīng)生成了H₂，有利于反應(yīng)I、Ⅲ正向移動(dòng)；
（3）正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故B表示0.1MPa、A表示5.0MPa，壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為200℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，再計(jì)算平衡時(shí)CO的物質(zhì)的量、混合氣體總物質(zhì)的量，進(jìn)而計(jì)算CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)；
（4）①t₂時(shí)改變條件瞬間，逆反應(yīng)速率增大，而后減小，平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為氣體體積減小的放熱反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，可能是升高溫度，也可能是增大生成物的濃度；
②若t₄擴(kuò)大容器體積，濃度減小，瞬間反應(yīng)速率減小，平衡逆向移動(dòng)，t₅達(dá)到平衡，t₆時(shí)增大反應(yīng)物濃度，瞬間逆反應(yīng)速率不變，而后逆反應(yīng)速率增大．

解答 解：（1）反應(yīng)I的正反應(yīng)為氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，混亂度減小，則△S＜0；
反應(yīng)Ⅱ：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$；
反應(yīng)Ⅲ=Ⅰ×2+Ⅱ，則K₃=K₁²×K₂，由表中數(shù)據(jù)可知，K₁、K₂均隨溫度升高而減小，則K₃也隨溫度升高而減小，說明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，
故答案為：＜；$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$；放熱；
（2）反應(yīng)消耗了H₂O（g）有利于反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ正向移動(dòng)；同時(shí)此反應(yīng)生成了H₂，有利于反應(yīng)I、Ⅲ正向移動(dòng)，所以能提高CH₃OCH₃的產(chǎn)率，
故答案為：反應(yīng)消耗了H₂O（g）有利于反應(yīng)Ⅱ、Ⅲ正向移動(dòng)；同時(shí)此反應(yīng)生成了H₂，有利于反應(yīng)I、Ⅲ正向移動(dòng)；
（3）正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故B表示0.1MPa、A表示5.0MPa，壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為200℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，設(shè)起始時(shí)n（CO）=1mol、n（H₂）=2mol，則轉(zhuǎn)化的CO為0.5mol，
           CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：1      2          0
變化量（mol）：0.5    1          0.5
平衡量（mol）：0.5    1          0.5
平衡混合氣中甲醇的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)是$\frac{0.5mol}{（0.5+1+0.5）mol}$×100%=25%，
故答案為：25%；
（4）①t₂時(shí)改變條件瞬間，逆反應(yīng)速率增大，而后減小，平衡逆向移動(dòng)，正反應(yīng)為氣體體積減小的放熱反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡正向移動(dòng)，可能是升高溫度，也可能是增大生成物的濃度，
故答案為：升高溫度； 增大生成物濃度；
②若t₄擴(kuò)大容器體積，濃度減小，瞬間反應(yīng)速率減小，平衡逆向移動(dòng)，t₅達(dá)到平衡，t₆時(shí)增大反應(yīng)物濃度，瞬間逆反應(yīng)速率不變，而后逆反應(yīng)速率增大，速率變化曲線為：，
故答案為：．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、反應(yīng)速率影響因素、化學(xué)平衡圖象、平衡常數(shù)等，理解掌握平衡移動(dòng)原理．