Question

4．CO₂和CO可以回收利用制取二甲醚、尿素、甲醇等．
（1）常温常压下，二氧化碳加氢可选择性生成二甲醚或一氧化碳：
①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-55.7kJ/mol
②2CH₃OH（l）?CH₃OCH₃（g）+H₂O （l）△H=-23.4kJ/mol
则CO₂（g）加氢转化为CH₃OCH₃（g）和H₂O （l）的热化学方程式是：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3 H₂O（l）△H=-134.8kJ/mol．
（2）CO₂合成尿素的反应为：CO₂（g）+2NH₃（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O （g）△H＜0．该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（N{H}_{3}）}$．
（3）实验室模拟用CO和H₂反应来制甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0．在250℃下，将一定量的CO和H₂投入10L的密闭容器中，各物质的物质的量浓度（mol•L^-1）变化如下表所示：（前6min没有改变条件）

	2min	4min	6min	8min	…
CO	0.07	0.06	0.06	0.05	…
H2	x	0.12	0.12	0.2	…
CH3OH	0.03	0.04	0.04	0.05	…

①x=0.14．
②250℃时该反应的平衡常数K值为：$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$mol^-2．L²（不必化简）．
③若6min～8min只改变了某一条件，所改变的条件是加入1mol氢气．
④第8min时，该反应是不是达到平衡状态不是．（填“是”或“不是”）
⑤该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度的原因是：Ⅰ．此温度下的催化剂活性高；Ⅱ．温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低．

Answer 1

分析 （1）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-55.7kJ/mol
②2CH₃OH（l）?CH₃OCH₃（g）+H₂O （l）△H=-23.4kJ/mol
根据盖斯定律，①×2+②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3 H₂O（l），反应热也进行相应的计算；
（2）平衡常数是指生成物平衡浓度化学计量数幂乘积与反应物平衡浓度化学计量数幂乘积的比，纯液体或固体不需要写出；
（3）①由表中数据可知，从2min到4min，CO的浓度变化量为（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根据方程式计算氢气的浓度变化量，2min时氢气浓度=4min时氢气浓度+氢气浓度变化量；
②4min与6min时，CO浓度相等，则4min、6min时反应处于平衡状态，平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，代入平衡浓度计算；
③对比6min和8min时各物质的浓度可知改变条件后反应反应向正方向进行，按照转化量之比等于计量系数之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三种物质的浓度应为：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氢气的浓度为0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10=1mol的氢气；
④计算浓度商Qc，与平衡常数相比判断第8min时是否达到平衡状态；
⑤该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度的原因是：此温度下的催化剂活性高；温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低．

解答 解：（1）已知：①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（l）+H₂O（l）△H=-55.7kJ/mol
②2CH₃OH（l）?CH₃OCH₃（g）+H₂O （l）△H=-23.4kJ/mol
根据盖斯定律，①×2+②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3 H₂O（l）△H=-134.8kJ/mol，
故答案为：2CO₂（g）+6H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+3 H₂O（l）△H=-134.8kJ/mol；
（2）CO₂（g）+2NH₃（g）?CO（NH₂）₂（l）+H₂O （g）的平衡常数表达式K=$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（N{H}_{3}）}$，
故答案为：$\frac{c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{2}（N{H}_{3}）}$；
（3）①由表中数据可知，从2min到4min，CO的浓度变化量为（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根据方程式可知氢气的浓度变化量为0.01mol/L×2=0.02mol/L，2min时氢气浓度=0.12mol/L+0.02mol/L=0.14mol/L，
故答案为：0.14；
②4min与6min时，CO浓度相等，则4min、6min时反应处于平衡状态，故平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$mol^-2．L²，
故答案为：$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$mol^-2．L²；
③对比6min和8min时各物质的浓度可知改变条件后反应反应向正方向进行，按照转化量之比等于计量系数之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三种物质的浓度应为：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氢气的浓度为0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10L=1mol的氢气，
故答案为：加入1mol氢气；
④8min时浓度商Qc=$\frac{0.05}{0.05×0．{2}^{2}}$=25＜K=$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$=46.3，故8min时不是平衡状态，反应向正反应进行，
故答案为：不是；
⑤该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度的原因是：此温度下的催化剂活性高；温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低，
故答案为：温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低．

点评 本题考查化学平衡计算及影响因素、平衡常数计算及应用、热化学方程式书写等，是对学生综合能力的考查，难度中等．