Question

11．二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀的新型燃料，未來可能替代柴油和液化氣作為潔凈液體燃料使用．
（1）工業(yè)上利用水煤氣合成二甲醚的三步反應如下：
①2H₂（g）+CO（g）???CH₃OH（g）△H=a kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=b kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=c kJ•mol^-1
現在采用新工藝的總反應為3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），該反應的△H=（2a+b+c）kJ•mol^-1，平衡常數表達式K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$．
（2）增大壓強，CH₃OCH₃的產率增大（填“增大”“減小”或“不變”）．
（3）原工藝中反應①和反應②分別在不同的反應器中進行，無反應③發(fā)生．新工藝中反應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．
（4）為了尋找合適的反應溫度，研究者進行了一系列實驗，每次實驗保持原料氣的組成、壓強、反應時間等因素不變，實驗結果如圖．CO轉化率隨溫度變化的規(guī)律是溫度低于240℃時，CO的轉化率隨著溫度的升高而增大；溫度高于240℃時，CO的轉化率隨著溫度的升高而減小，其原因是在較低溫時，各反應體系均未達到平衡，CO的轉化率主要受反應速率影響，隨著溫度的升高反應速率增大，CO的轉化率也增大；在較高溫時，各反應體系均已達到平衡，CO的轉化率主要受反應限度影響，隨著溫度的升高平衡向逆反應方向移動，CO的轉化率減�。唬�

（5）已知反應②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）某溫度下的平衡常數為400，此溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/mol•L-1	0.64	0.50	0.50

①比較此時正、逆反應速率的大�。簐（正）＞（填“＞”“＜”或“=”）v（逆）．
②若開始只加入CH₃OH，經10min后反應達到平衡，平衡時CH₃OH的轉化率α（CH₃OH）=97.5%．

Answer 1

分析 （1）根據蓋斯定律計算△H；平衡常數指產物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪的乘積的比值；
（2）反應前后氣體的氣體減小，增大壓強平衡向體積減小的方向移動；
（3）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；
（4）由圖表可知，在較低溫時，反應體系均未達到平衡，CO的轉化率主要受反應速率影響，隨著溫度的升高反應速率增大，CO的轉化率也增大；在較高溫時，反應體系均已達到平衡，隨著溫度的升高平衡向逆反應方向移動，CO的轉化率減小；
（5）①將各物質的濃度帶入平衡常數表達式，將計算結果與平衡常數進行比較，從而判斷平衡移動方向；
②若開始只加入CH₃OH，經10min后反應達到平衡，假設開始加入的甲醇為1mol，設轉化的甲醇為xmol，表示出平衡時各組分物質的量，反應前后氣體物質的量不變，可以用物質的量代替濃度計算平衡常數，根據平衡常數列方程計算解答．

解答 解：（1）已知①2H₂（g）+CO（g）???CH₃OH（g）△H=a kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=b kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=c kJ•mol^-1
根據蓋斯定律，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=（2a+b+c）kJ•mol^-1，
平衡常數指產物濃度系數次冪的乘積與反應物濃度系數次冪的乘積的比值，所以K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
故答案為：（2a+b+c）kJ•mol^-1；$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}$；
（2）反應前后氣體的氣體減小，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即向正反應方向移動，CH₃0CH₃的產率增大；
故答案為：增大；
（3）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，
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；
（4）由圖表可知，溫度低于240℃時，CO的轉化率隨著溫度的升高而增大；溫度高于240℃時，CO的轉化率隨著溫度的升高而減小，
在較低溫時，各反應體系均未達到平衡，CO的轉化率主要受反應速率影響，隨著溫度的升高反應速率增大，CO的轉化率也增大；在較高溫時，各反應體系均已達到平衡，CO的轉化率主要受反應限度影響，隨著溫度的升高平衡向逆反應方向移動，CO的轉化率減小，
故答案為：溫度低于240℃時，CO的轉化率隨著溫度的升高而增大；溫度高于240℃時，CO的轉化率隨著溫度的升高而減��；
在較低溫時，各反應體系均未達到平衡，CO的轉化率主要受反應速率影響，隨著溫度的升高反應速率增大，CO的轉化率也增大；在較高溫時，各反應體系均已達到平衡，CO的轉化率主要受反應限度影響，隨著溫度的升高平衡向逆反應方向移動，CO的轉化率減��；
（5）①該反應的平衡常數表達式為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，將所給濃度帶入平衡常數表達式：$\frac{0.5×0.5}{0.4{4}^{2}}$=1.29＜400，故反應向正反應方向進行，正反應速率大于逆反應速率；
故答案為：＞；
②若開始只加入CH₃OH，經10min后反應達到平衡，假設開始加入的甲醇為1mol，設轉化的甲醇為xmol，則：
                       2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始量（mol）：1                       0                      0
變化量（mol）：x                      0.5x                 0.5x
平衡量（mol）：1-x                     0.5x                   0.5x
反應前后氣體物質的量不變，可以用物質的量代替濃度計算平衡常數，則$\frac{0.5x×0.5x}{（1-x）2}$=400mol，解得x=0.975，故甲醇的轉化率為$\frac{0.975}{1}$×100%=97.5%；
故答案為：97.5%．

點評 本題考查蓋斯定律、化學平衡計算、平衡常數應用、注意理解掌握平衡常數的應用，本題較為綜合，題量較大，注意“始、轉、平”是解決有關化學平衡的“三段論”解題法，難度中等．