Question

19．二甲醚（CH₃OCH₃）是一种应用前景广阔的清洁燃料，以CO和H₂为原料生产二甲醚主要发生以下三个反应：

编号	热化学方程式	化学平衡常数
①	CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H1=-99kJ•mol-1	K1
②	2CH3OH（g）?CH3OCH3（g）+H2O（g）△H2=-24kJ•mol-1	K2
③	CO（g）+H2O（g）?CO2（g）+H2（g）△H3=-41kJ•mol-1	K3

回答下列问题：
（1）该工艺的总反应为3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H，该反应△H=-263 kJ•mol^-1，化学平衡常数K=K₁²•K₂•K₃（用含K₁、K₂、K₃的代数式表示）；
（2）下列措施中，能提高CH₃OCH₃产率的有AD；
A．分离出二甲醚               B．升高温度
C．改用高效催化剂             D．增大压强
（3）工艺中反应①和反应②分别在不同的反应器中进行，无反应③发生．该工艺中反应③的发生提高了CH₃OCH₃的产率，原因是反应③消耗了反应②中的产物H₂O，使反应②的化学平衡向正反应方向移动，从而提高CH₃OCH₃的产率；
（4）以n（H₂）/n（CO）=2 通入1L的反应器中，一定条件下发生反应：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H，其CO的平衡转化率随温度、压强变化关系如图所示．下列说法正确的是CD；
A．该反应的△H＞0
B．若在p₂和316℃时反应达到平衡，则CO的转化率小于50%
C．若在p₃和316℃时反应达到平衡，H₂的转化率等于50%
D．若在p₃和316℃时，起始时n（H₂）/n（CO）=3，则达平衡时CO的转化率大于50%
（5）某温度下，将8.0mol H₂和4.0mol CO充入容积为2L的密闭容器中，发生反应：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反应达平衡后测得二甲醚的体积分数为25%，则该温度下反应的平衡常数K=2.25．

Answer 1

分析 （1）由盖斯定律可得，总反应3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）为方程式①×2+②+③相加所得，故△H=2△H₁+△H₂+△H₃；
化学平衡常数K=K₁²•K₂•K₃；
（2）要提高CH₃OCH₃产率，应该改变条件使平衡正向移动；
（3）新工艺中反应③消耗反应②中的产物H₂O，减小生成物的浓度，有利于平衡向正反应方向移动；
（3）勒夏特列原理：如果改变可逆反应的条件（如浓度、压强、温度等），化学平衡就被破坏，并向减弱这种改变的方向移动；
（4）A．升高温度CO转化率降低，说明平衡逆向移动，升高温度平衡向吸热方向移动；
B．增大压强平衡正向移动，则CO转化率增大，根据图知，压强P₁＞P₂＞P₃，增大压强CO转化率增大；
C．当反应物的物质的量之比等于其计量数之比时，反应物的转化率相等；
D．若在p₃和316℃时，起始时$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，则达平衡时CO的转化率增大；
（5）可用体积分数求出各物质的浓度，然后再利用平衡常数的公式求出平衡常数，相同条件下，气体的体积分数等于其物质的量分数，设参加反应的n（CO）=xmol，
该反应中      4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
开始（mol）8.0                 4.0                0                  0
反应（mol）2x                 x                  0.5x             0.5x
平衡（mol）8.0-2x           4.0-x            0.5x              0.5x
二甲醚物质的量分数=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}$×100%=25%，
x=3
则平衡时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，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）{c}^{2}（CO）}$．

解答 解：（1）由盖斯定律可得，总反应3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）为方程式①×2+②+③相加所得，故△H=2△H₁+△H₂+△H₃=2×（-99）-24-41=-263 kJ•mol^-1；总反应的平衡常数等于分反应的平衡常数之积，则K=K₁²•K₂•K₃．
故答案为：-263 kJ•mol^-1；K₁²•K₂•K₃；
（2）A．分离出二甲醚，使平衡正向移动，所以能提高二甲醚的产率，故正确；
B．升高温度，平衡逆向移动，降低二甲醚的产率，故错误；
C．改用高效催化剂只能改变化学反应速率，不影响平衡移动，不改变二甲醚产率，故错误；
D．增大压强平衡正向移动，提高二甲醚产率，故正确；
故答案为：AD；
（3）（4）反应③消耗了反应②中的产物H₂O，使反应②的化学平衡向正反应方向移动，从而提高CH₃OCH₃的产率，
故答案为：反应③消耗了反应②中的产物H₂O，使反应②的化学平衡向正反应方向移动，从而提高CH₃OCH₃的产率；
（4）A．升高温度CO转化率降低，说明平衡逆向移动，升高温度平衡向吸热方向移动，则该反应△H＜0，故A错误；
B．增大压强平衡正向移动，则CO转化率增大，根据图知，压强P₁＞P₂＞P₃，增大压强CO转化率增大，CO转化率应该大于50%，故B错误；
C．当反应物的物质的量之比等于其计量数之比时，反应物的转化率相等，所以若在p₃和316℃时反应达到平衡，H₂的转化率等于50%，故C正确；
D．若在p₃和316℃时，起始时$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=3，则达平衡时CO的转化率增大，所以CO转化率大于50%，故D正确；
故答案为：CD；
（5）相同条件下，气体的体积分数等于其物质的量分数，设参加反应的n（CO）=xmol，
该反应中 4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），
开始（mol）8.0 4.0 0 0
反应（mol）2x x 0.5x 0.5x
平衡（mol）8.0-2x 4.0-x 0.5x 0.5x
二甲醚物质的量分数=$\frac{0.5x}{8.0-2x+4.0-x+0.5x+0.5x}$×100%=25%，
x=3
则平衡时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，化学平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{4}（{H}_{2}）{c}^{2}（CO）}$=$\frac{0.75×0.75}{0．{5}^{2}×{1}^{4}}$=2.25，
故答案为：2.25．

点评 本题考查化学平衡计算、盖斯定律、化学平衡移动影响因素等知识点，侧重考查学生分析、判断及计算能力，明确温度、压强对化学平衡移动影响及三段式方法在化学平衡计算中的灵活应用是解本题关键，题目难度中等．