Question

18．如图是煤化工产业链的一部分，试运用所学知识，解决下列问题：

Ⅰ．已知该产业链中某反应的平衡表达式为：K=$\frac{C（{H}_{2}）•C（CO）}{C（{H}_{2}O）}$，它所对应反应的化学方程式C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）（要注明物质的状态）．
II、二甲醚（CH₃OCH₃）在未来可能替代柴油和液化气作为洁净液体燃料使用，工业上以CO和H₂为原料生产CH₃OCH₃．工业制备二甲醚在催化反应室中（压力2.0～10.0MPa，温度230～280℃）进行下列反应：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=一90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=一23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂O（g）?CO₃（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
（1）催化反应室中总反应的热化学方程式为3CO（g）+3H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ•mol^-1．830℃时反应③的K=1.0，则在催化反应室中反应③的K＞1.0（填“＞”、“＜”或“=”）．
（2）在某温度下，若反应①的起始浓度分别为，c（CO）=1mol/L，c（H₂）=2.4mol/L，5min后达到平衡，CO的转化率为50%，则5min 内CO的平均反应速率为0.1mol/（L•min）；若反应物的起始浓度分别为：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=amol/L，达到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，a=5.4mol/L．

Answer 1

分析 I．根据平衡常数表达式可写成化学方程式；
Ⅱ．（1）运用盖斯定律按照目标方程式将已知的热化学方程式变形运算得到所要求得目标反应的热化学方程式；反应③为放热反应降低温度平衡正向移动K值增大；
（2）列三段表示出反应达到平衡过程中各物质的浓度，运用反应速率表达式求出5min内CO的平均反应速率，应用K求出a值．

解答 解：Ⅰ．因为K=$\frac{C（{H}_{2}）•C（CO）}{C（{H}_{2}O）}$，所以该反应的方程式为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），注意C为固态，不列入平衡常数表达式，
故答案为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）；
Ⅱ．（1）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-23.5kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-41.2kJ•mol^-1
依据盖斯定律将方程式变形①×2+②+③得 3CO（g）+3H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），△H=△H₁×2+△H₂+△H₃=-246.1kJ•mol^-1
反应③为放热反应降低温度平衡正向移动K值增大，830℃时反应③的K=1.0，催化反应室中温度为230～280℃，所以K值增大，K＞1.0；
故答案为：3CO（g）+3H₂（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ•mol^-1；＞；
（2）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始浓度（ mol/L） 1 2.4 0
转化浓度（ mol/L） 0.5 1 0.5
平衡浓度（ mol/L） 0.5 1.4 0.5
△C（CO）=1×0.5=0.5
V（CO）=△C（CO）÷t=0.5mol/L÷5min=0.1mol/（L•min）；
K=$\frac{[CH{\;}_{3}OH]}{[CO][H{\;}_{2}]{\;}^{2}}$=$\frac{0.5}{0.5×1.4{\;}^{2}}$=$\frac{1}{1.4{\;}^{2}}$
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始浓度（ mol/L） 4 a 0
转化浓度（ mol/L） 2 4 2
平衡浓度（ mol/L） 2 a-4 2
因为温度相同所以改变初始浓度后平衡常数不变K=$\frac{2}{2×（a-4）{\;}^{2}}$=$\frac{1}{1.4{\;}^{2}}$
a=5.4mol/L；
故答案为：0.1mol/（L•min）； 5.4．

点评 本题考查了盖斯定律求反应热、化学平衡常数表达式及其应用，难度中等，注意平衡常数的应用．