Question

8．二甲醚（CH₃OCH₃）是一種應用前景廣闊的清潔燃料，以CO和H₂為原料生產二甲醚主要發(fā)生以下三個反應：

編號	熱化學方程式	化學平衡常數
①	CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）△H1	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

回答下列問題：
（1）已知反應①中的相關的化學鍵鍵能數據如下：

化學鍵	H-H	C-O	C=O	H-O	C-H
E/（kJ．mol-1）	436	343	1076	465	413

由上述數據計算△H₁=-99 kJ•mol^-1；
（2）該工藝的總反應為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H，該反應△H=-263 kJ•mol^-1，化學平衡常數K=K₁²•K₂•K₃（用含K₁、K₂、K₃的代數式表示）；
（3）下列措施中，能提高CH₃OCH₃產率的有AD；
A．分離出二甲醚               B．升高溫度
C．改用高效催化劑             D．增大壓強
（4）工藝中反應①和反應②分別在不同的反應器中進行，無反應③發(fā)生．該工藝中反應③的發(fā)生提高了CH₃OCH₃的產率，原因是反應③消耗了反應②中的產物H₂O，使反應②的化學平衡向正反應方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產率；
（5）以$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=2 通入1L的反應器中，一定條件下發(fā)生反應：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H，其CO的平衡轉化率隨溫度、壓強變化關系如圖所示．下列說法正確的是CD；
A．該反應的△H＞0
B．若在p₂和316℃時反應達到平衡，則CO的轉化率小于50%
C．若在p₃和316℃時反應達到平衡，H₂的轉化率等于50%
D．若在p₃和316℃時，起始時$\frac{n（H2）}{n（CO）}$=3，則達平衡時CO的轉化率大于50%
E．若在p₁和200℃時，反應達平衡后保持溫度和壓強不變，再充入2mol H₂和1mol CO，則平衡時二甲醚的體積分數增大
（6）某溫度下，將8.0mol H₂和4.0mol CO充入容積為2L的密閉容器中，發(fā)生反應：4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反應達平衡后測得二甲醚的體積分數為25%，則該溫度下反應的平衡常數K=2.25．

Answer 1

分析 （1）△H等于反應物的鍵能減去生成物的鍵能；
（2）蓋斯定律：化學反應的反應熱只與反應體系的始態(tài)和終態(tài)有關，而與反應的途徑無關；
（3）總反應的平衡常數等于分反應的平衡常數之積；
（4）勒夏特列原理：如果改變可逆反應的條件（如濃度、壓強、溫度等），化學平衡就被破壞，并向減弱這種改變的方向移動；
（5）催化劑不會影響化學平衡移動；
（6）可用體積分數求出各物質的濃度，然后再利用平衡常數的公式求出平衡常數．

解答 解：（1）由△H等于反應物的鍵能減去生成物的鍵能，可求得反應①的△H₁=1076+2×436-343-465-3×413=-99 kJ•mol^-1，故答案為：-99 kJ•mol^-1；
（2）由蓋斯定律可得，總反應3CO（g）+3H₂（g）CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）為方程式①×2+②+③相加所得，故△H=2△H₁+△H₂+△H₃=2×（-99）-24-41=-263 kJ•mol^-1；總反應的平衡常數等于分反應的平衡常數之積，則K=K₁²•K₂•K₃．
故答案為：-263 kJ•mol^-1；K=K₁²•K₂•K₃；
（3）由勒夏特列原理，對于3CO（g）+3H₂（g） CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）為了提高CH₃OCH₃產率，反應需要向正反應方向移動，因此通過減小氣體體積、降溫、減少產物的量可以實現，而催化劑對化學平衡的移動沒有影響，由此可知A、D正確．
故答案為：AD；
（4）反應②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反應③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），由此可知，反應③消耗反應②中的水，根據勒夏特列原理可知，可提高CH₃OCH₃的產率．
故答案為：反應③消耗了反應②中的產物H₂O，使反應②的化學平衡向正反應方向移動，從而提高CH₃OCH₃的產率；
（5）由圖象可知，反應溫度升高，CO的轉化率降低，說明該正反應方向為放熱反應，△H＜0，A錯誤；找出p₂，316℃坐標點，可知CO的轉化率大于50%，B錯誤；由圖可知，p3，316℃時，CO的轉化率為50%，而此時H₂和CO的物質的量之比等于系數比，即兩者的轉化率相等，所以H₂的轉化率也為50%，C正確；若增大H₂和CO的物質的量之比，則平衡正向移動，CO的轉化率也同時升高，D正確；根據等效平衡的原理，保持溫度和壓強不變，充入與起始時等比值的氫氣和CO，兩種平衡等效，二甲醚的體積分數不變，E錯誤．
故答案為：CD；
（6）設平衡時CH₃OCH₃的物質的量為xmol，由4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），平衡時各物質的濃度分別為：[H₂]=4-2x，[CO]=2-x，[CH₃OCH₃]=$\frac{x}{2}$，[H₂O]=$\frac{x}{2}$．二甲醚的體積分數為25%，也即$\frac{\frac{x}{2}}{（4-2x+2-x+\frac{x}{2}+\frac{x}{2}）}$=$\frac{1}{4}$，解得x=$\frac{3}{2}$；所以平衡時各物質的濃度分別為：[H₂]=1，[CO]=0.5，[CH₃OCH₃]=0.75，[H₂O]=0.75，所以平衡常數K=$\frac{[C{H}_{3}OC{H}_{3}]•[{H}_{2}O]}{[{H}_{2}]^{4}•[CO]^{2}}$=$\frac{0.75×0.75}{1×0.5×0.5}$=2.25．
故答案為：2.25．

點評 本題難度較大，綜合性非常強，綜合了化學平衡、轉化率、蓋斯定律等知識．