Question

16．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为C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）；
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=-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
（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=-247kJ•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%，若反应物的起始浓度分别为：c（CO）=4mol/L，c（H₂）=a mol/L；达到平衡后，c（CH₃OH）=2mol/L，a=5.4mol/L．
（3）反应②在t℃时的平衡常数为400，此温度下，在0.5L的密闭容器中加入一定量的甲醇，反应到某时刻测得各组分的物质的量浓度如下：

物质	CH3OH	CH3OCH3	H2O
c/（mol•L-1）	0.8	1.24	1.24

①此时刻，v_正大于 v_逆（填“大于”、“小于”或“等于”）．
②平衡时二甲醚的物质的量浓度是1.6mol/L．

Answer 1

分析 I．化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比，根据元素守恒知，反应物中还含有固体碳；
II（1）将方程式①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），焓变进行相应的改变；降低温度平衡向放热方向移动；
（2）该反应中CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol/L）1             2.4            0
反应（mol/L）1×50%    1×50%×2  1×50%
平衡（mol/L）0.5         1.4           0.5
化学平衡常数K=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$，
温度不变化学平衡常数K不变，据此计算a值；
（3）①先计算浓度商，根据浓度商与化学平衡常数相对大小确定反应方向，从而确定正逆反应速率相对大小；
②根据化学平衡常数计算平衡时二甲醚的物质的量浓度．

解答 解：Ⅰ．化学平衡常数K等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比，根据元素守恒知，反应物中还含有固体碳，由化学平衡常数表达式知，该反应方程式为C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），
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
将方程式①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），△H=2（-90.7kJ•mol^-1
）+（-23.5kJ•mol^-1）+（-41.2kJ•mol^-1）=-247kJ•mol^-1，
③的正反应是放热反应，降低温度平衡正向移动，化学平衡常数增大，所以在催化反应室中反应③的K＞1.0，
故答案为：3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-247kJ•mol^-1；＞；
（2）该反应中CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol/L）1             2.4            0
反应（mol/L）1×50%    1×50%×2  1×50%
平衡（mol/L）0.5         1.4           0.5
化学平衡常数K=$\frac{0.5}{0.5×1．{4}^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$，
温度不变化学平衡常数K不变，
该反应中CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
开始（mol/L）4        a                  0
反应（mol/L）2        4                 2
平衡（mol/L）2       a-4               2
化学平衡常数K=$\frac{2}{2×（a-4）^{2}}$=$\frac{1}{1．{4}^{2}}$，
a=5.4，
故答案为：5.4；
（3）①浓度商=$\frac{1.2{4}^{2}}{0．{8}^{2}}$=2.4＜400，平衡正向移动，则v_正 大于 v_逆，
故答案为：大于；
②设达到平衡时二甲醚反应的物质的量浓度为xmol/L，
该反应2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O
开始（mol/L）0.8               1.24           1.24       
反应（mol/L）2x                x               x
平衡（mol/L）0.8-2x          1.24+x        1.24+x
化学平衡常数K=$\frac{（1.24+x）^{2}}{（0.8-x）^{2}}$=400
x=0.36，
则平衡时二甲醚的物质的量浓度=（1.24+0.36）mol/L=1.6mol/L，
故答案为：1.6mol/L．

点评 本题考查化学平衡计算，为高频考点，侧重考查学生分析计算能力，灵活运用三段式是解本题关键，会利用化学平衡常数与浓度商的关系确定反应方向，题目难度不大．