Question

8．二甲醚（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	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）已知反应①中的相关的化学键键能数据如下：

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

由上述数据计算△H₁=-99 kJ•mol^-1；
（2）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）；
（3）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
（4）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；
（5）以$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$=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$\frac{n（H2）}{n（CO）}$=3，则达平衡时CO的转化率大于50%
E．若在p₁和200℃时，反应达平衡后保持温度和压强不变，再充入2mol H₂和1mol CO，则平衡时二甲醚的体积分数增大
（6）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）△H等于反应物的键能减去生成物的键能；
（2）盖斯定律：化学反应的反应热只与反应体系的始态和终态有关，而与反应的途径无关；
（3）总反应的平衡常数等于分反应的平衡常数之积；
（4）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；
（5）催化剂不会影响化学平衡移动；
（6）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．

解答 解：（1）由△H等于反应物的键能减去生成物的键能，可求得反应①的△H₁=1076+2×436-343-465-3×413=-99 kJ•mol^-1，故答案为：-99 kJ•mol^-1；
（2）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；K=K₁²•K₂•K₃；
（3）由勒夏特列原理，对于3CO（g）+3H₂（g） CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）为了提高CH₃OCH₃产率，反应需要向正反应方向移动，因此通过减小气体体积、降温、减少产物的量可以实现，而催化剂对化学平衡的移动没有影响，由此可知A、D正确．
故答案为：AD；
（4）反应②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反应③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g），由此可知，反应③消耗反应②中的水，根据勒夏特列原理可知，可提高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；
（5）由图象可知，反应温度升高，CO的转化率降低，说明该正反应方向为放热反应，△H＜0，A错误；找出p₂，316℃坐标点，可知CO的转化率大于50%，B错误；由图可知，p3，316℃时，CO的转化率为50%，而此时H₂和CO的物质的量之比等于系数比，即两者的转化率相等，所以H₂的转化率也为50%，C正确；若增大H₂和CO的物质的量之比，则平衡正向移动，CO的转化率也同时升高，D正确；根据等效平衡的原理，保持温度和压强不变，充入与起始时等比值的氢气和CO，两种平衡等效，二甲醚的体积分数不变，E错误．
故答案为：CD；
（6）设平衡时CH₃OCH₃的物质的量为xmol，由4H₂（g）+2CO（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），平衡时各物质的浓度分别为：[H₂]=4-2x，[CO]=2-x，[CH₃OCH₃]=$\frac{x}{2}$，[H₂O]=$\frac{x}{2}$．二甲醚的体积分数为25%，也即$\frac{\frac{x}{2}}{（4-2x+2-x+\frac{x}{2}+\frac{x}{2}）}$=$\frac{1}{4}$，解得x=$\frac{3}{2}$；所以平衡时各物质的浓度分别为：[H₂]=1，[CO]=0.5，[CH₃OCH₃]=0.75，[H₂O]=0.75，所以平衡常数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．
故答案为：2.25．

点评 本题难度较大，综合性非常强，综合了化学平衡、转化率、盖斯定律等知识．