题目内容

20.二甲醚是一种重要的清洁燃料,也可替代氟利昂作制冷剂等,对臭氧层无破坏作用.工业上可利用煤的气化产物(水煤气)合成二甲醚.请回答下列问题:
(1)煤的气化的主要化学反应方程式为:C+H2O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H2.
(2)煤的气化过程中产生的有害气体H2S用Na2CO3溶液吸收,生成两种酸式盐,该反应的化学方程式为:Na2CO3+H2S═NaHCO3+NaHS.
(3)利用水煤气合成二甲醚的三步反应如下:
①2H2(g)+CO(g)?CH3OH(g);△H=-90.8kJ•mol-1
②2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g);△H=-23.5kJ•mol-1
③CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g);△H=-41.3kJ•mol-1
总反应:3H2(g)+3CO(g)?CH3OCH3(g)+CO2 (g)的△H=-246.4kJ•mol-1;
若总反应平衡后,要提高CO的转化率,可以采取的措施是ce(填字母代号)
a.升温  b.加催化剂 c.减少CO2的浓度 d.增加CO的浓度 e.分离出二甲醚
(4)已知反应②2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g)某温度下平衡常数为400.此温度下,在密闭容器中加入CH3OH,某时刻测得各组分的浓度如表:
物质CH3OHCH3OCH3H2O
浓度/(mol/L)0.440.60.6
①比较此时正、逆反应速率的大小:v正> v逆 (填“>”、“<”或“=”).
②若加入CH3OH后,经10min达到平衡,此时c(CH3OH)=0.04mol/L;该时间内反应速率v(CH3OH)=0.16 mol/(L•min).
(5)2H2+CO?CH3OH的催化剂为Cu2O,据研究,需要向反应体系中额外加入少量CO2,原因是:Cu2O+CO?2Cu+CO2(用化学方程式表示).

分析 (1)煤的气化是利用煤与水蒸气高温条件小反应,生成CO和H2的过程;
(2)根据酸式盐NaHS和NaHCO3为书写反应的化学方程式;
(3)结合热化学方程式和利用盖斯定律计算所需热化学方程式;
(4)根据方程式计算平衡常数,然后利用三段式法解答;
(5)根据Cu2O能被CO还原生成CO2和Cu,该反应为可逆反应.

解答 解:(1)煤的气化是利用煤与水蒸气高温条件小反应,生成CO和H2的过程:C+H2O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H2,
故答案为:C+H2O$\frac{\underline{\;高温\;}}{\;}$CO+H2;
(2)H2S和H2CO3均是二元酸,它们都存在酸式盐NaHS和NaHCO3,二者反应的化学方程式为H2S+Na2CO3=NaHS+NaHCO3,
故答案为:H2S+Na2CO3=NaHS+NaHCO3;
(3)①2H2(g)+CO(g)?CH3OH(g);△H=-90.8kJ•mol-1
②2CH3OH(g)?CH3OCH3(g)+H2O(g);△H=-23.5kJ•mol-1
③CO(g)+H2O(g)?CO2(g)+H2(g);△H=-41.3kJ•mol-1
由盖斯定律可知,通过①×2+②+③可得所求反应方程式,则△H=-90.8kJ/mol×2-23.5kJ/mol-41.3kJ/mol=-246.4kJ/mol,一定条件下的密闭容器中,该总反应达到平衡,要提高CO的转化率,应使平衡向正反应方向移动,可减少CO2的浓度或分离出二甲醚,由于反应放热,升高温度平衡向逆反应方向移动,转化率减小,催化剂不影响平衡移动,而增加
CO的浓度,CO的转化率反而减小,
故答案为:-246.4 kJ•mol-1;ce;
(4)①该反应的平衡常数表达式为:K=$\frac{c(C{H}_{3}OC{H}_{3})c({H}_{2}O)}{{c}^{2}(C{H}_{3}OH)}$,将所给浓度带入平衡常数表达式:$\frac{0.6×0.6}{0.4{4}^{2}}$=1.86<400,故反应向正反应方向进行,正反应速率大于逆反应速率,
故答案为:>;
②2CH3OH(g)≒CH3OCH3(g)+H2O(g) 某时刻浓度(mol•L-1):0.44 0.6 0.6
转化浓度(mol•L-1):2x x x
平衡浓度(mol•L-1):0.44-2x 0.6+x 0.6+x
K=$\frac{(0.6+x)^{2}}{(0.44-2x)^{2}}$,解得x=0.2mol/L,
故平衡时c(CH3OH)=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L,
起始时在密闭容器中加入CH3OH,
则起始时甲醇的浓度为0.44moL/L+0.6mol/L×2=1.64mol/L,平衡时c(CH3OH)=0.04mol/L,
则10min转化甲醇1.64moL/L-0.04moL/L=1.6mol/L,
所以甲醇的反应速率为v(CH3OH)=$\frac{1.6mol/L}{10min}$=0.16 mol/(L•min),
故答案为:0.04; 0.16;
(5)二氧化有利于抑制反应 Cu2O+CO?2Cu+CO2向正反应方向移动,维持Cu2O的量不变,故答案为:Cu2O+CO?2Cu+CO2.

点评 本题考查较为综合,题目难度中等,注意“始、转、平”是解决有关化学平衡的“三段论”解题法,当三组量一旦确定,可以解答有关平衡的平衡常数计算、转化率、反应速率、平衡时成分的体积分数等的关键.

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