Question

2．甲醇（CH₃OH）和二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀(jì)的新型燃料，具有清潔、高效等優(yōu)良的性能．
（1）CO₂可用于合成二甲醚（CH₃OCH₃），有關(guān)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下：
CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-49.0kJ•mol^-1，
2CH₃OH（g）=CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ•mol^-1，則CO₂與H₂反應(yīng)合成二甲醚的熱化學(xué)方程式為2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-121.5kJ•mol^-1．
（2）若反應(yīng)2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）在某溫度下的化學(xué)平衡常數(shù)為400，此溫度下，在密閉容器中加入一定量甲醇，反應(yīng)進(jìn)行到某時(shí)刻，測(cè)得各物質(zhì)的濃度如表所示：

物質(zhì)	CH3OH（g）	CH3OCH3（g）	H2O（g）
濃度（mol•L-1）	0.44	0.60	0.60

①寫(xiě)出該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$．
②比較該時(shí)刻正、逆反應(yīng)速率的大小：v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）
③若加入甲醇后經(jīng) 10min 反應(yīng)達(dá)到平衡，則平衡后c（CH₃OH）=0.040 mol•L^-1，該時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率v（CH₃OCH₃）=0.08 mol•（L•min）^-1．
（3）工業(yè)上合成甲醇的反應(yīng)：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）△H=-90.8kJ•mol^-1，若在溫度相同、容積均為2L的3個(gè)容器中，按不同方式投入反應(yīng)物，保持恒溫、恒容，測(cè)得反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)如下：

容器	甲	乙	丙
反應(yīng)物投入量	1molCO、2mol H2	1mol CH3OH	2mol CO、4mol H2
CH3OH的濃度（mol/L）	c1=0.25	c2	c3
反應(yīng)的能量變化	放出Q1 kJ	吸收Q2 kJ	放出Q3 kJ
平衡常數(shù)	K1	K2	K3
反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率	α1	α2	α3

①下列不能說(shuō)明該反應(yīng)在恒溫恒容條件下已達(dá)化學(xué)平衡狀態(tài)的是BC．
A．v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH）     B．n（CO）﹕n（H₂）﹕n（CH₃OH）=1﹕2：1
C．混合氣體的密度不變   D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變  E．容器的壓強(qiáng)不變
②下列說(shuō)法正確的是AC．
A．c₁=c₂      B．Q₁=Q₂     C．K₁=K₂      D．α₂+α₃＜100%
③如圖表示該反應(yīng)的反應(yīng)速率v和時(shí)間t的關(guān)系圖，各階段的平衡常數(shù)如下表所示：

t2～t3	t4～t5	t5～t6	t7～t8
K4	K5	K6	K7

K₄、K₅、K₆、K₇之間的關(guān)系為K₄＞K₅=K₆=K₇（填“＞”、“＜”或“=”）．反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率最大的一段時(shí)間是t₂～t₃．

Answer 1

分析 （1）根據(jù)蓋斯定律及題中熱化學(xué)方程式寫(xiě)出CO₂與H₂反應(yīng)合成二甲醚的熱化學(xué)方程式；
（2）①平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積；
②根據(jù)各組分的濃度商與平衡常數(shù)的大小進(jìn)行判斷反應(yīng)方向及正逆反應(yīng)速率大��；
③設(shè)達(dá)到平衡時(shí)又消耗了xmol甲醇，利用三段式及平衡常數(shù)列出方程式進(jìn)行計(jì)算平衡時(shí)甲醇濃度及二甲醚的反應(yīng)速率；
（3）①可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，一定滿足正逆反應(yīng)速率相等，各組分的濃度、百分含量不再變化，據(jù)此進(jìn)行判斷；
②在恒溫恒容條件下，甲加入1molCO、2molH₂與乙中1molCH₃OH為等效平衡，而丙中加入2molCO、4molH₂，與甲相比，丙增大了壓強(qiáng)，平衡向著正向移動(dòng)，據(jù)此進(jìn)行解答；
③溫度不變，化學(xué)平衡常數(shù)不變，t₃時(shí)刻，正逆反應(yīng)速率都增大，且逆反應(yīng)速率變化大，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，應(yīng)該為升高了溫度；t₆時(shí)刻，正逆反應(yīng)速率都減小，且正反應(yīng)速率變化大，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，據(jù)此進(jìn)行解答．

解答 解：（1）（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂0（g）△H=-49.0kJ•mol^-1 ①
2CH₃OH（g）=CH₃0CH₃（g）+H₂0（g）△H=-23.5kJ•mol^-1②
根據(jù)蓋斯定律，將①×2+②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-121.5kJ•mol^-1，
故答案為：2CO₂（g）+6H₂（g）═CH₃OCH₃（g）+3H₂O（g）△H=-121.5kJ•mol^-1；
（2）①2CH₃OH（g）═CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，故答案為：$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$；
②此時(shí)的濃度商為：Q_c=$\frac{0.6×0.6}{0.4{4}^{2}}$=1.86＜400，故反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，正反應(yīng)速率大于逆反應(yīng)速率，故答案為：＞；
②設(shè)達(dá)到平衡時(shí)據(jù)此又消耗了xmol，則
                     2CH₃OH（g）≒CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
某時(shí)刻濃度（mol•L^-1）：0.44         0.6        0.6
轉(zhuǎn)化濃度（mol•L^-1）：2x            x          x
平衡濃度（mol•L^-1）：0.44-2x        0.6+x      0.6+x
K=$\frac{（0.6+x）^{2}}{（0.44-2x）^{2}}$=400，解得x=0.2mol/L，
故平衡時(shí)c（CH₃OH）=0.44mol/L-0.2mol/L×2=0.04mol/L，
則10min生成二甲醚的濃度為：0.6moL/L+0.2moL/L=0.8mol/L，
所以甲醇的反應(yīng)速率為v（CH₃OH）=$\frac{0.8mol/L}{10min}$=0.08 mol/（L•min），
故答案為：0.040 mol•L^-1；0.08 mol•L^-1•min^-1；
（3）①A．v_正（H₂）=2v_逆（CH₃OH），表示的是正逆反應(yīng)速率，且滿足二者計(jì)算量關(guān)系，說(shuō)明反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)，故A錯(cuò)誤；
B．n（CO）：n（H₂）：n（CH₃OH）=1：2：1，物質(zhì)的量之比，無(wú)法判斷正逆反應(yīng)速率是否相等，無(wú)法判斷是否達(dá)到平衡狀態(tài)，故B正確；
C．混合氣體的密度不變，反應(yīng)前后都是氣體，容器的容積不變，所以氣體的密度始終不變，密度不能作為判斷平衡狀態(tài)的依據(jù)，故C正確；
D．該反應(yīng)是氣體體積縮小的反應(yīng)，反應(yīng)過(guò)程中氣體的物質(zhì)的量發(fā)生變化，混合氣體的平均分子量發(fā)生變化，若混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變，說(shuō)明達(dá)到了平衡狀態(tài)，故D錯(cuò)誤；
E．該反應(yīng)是體積縮小的反應(yīng)，氣體的物質(zhì)的量在反應(yīng)中發(fā)生變化，若容器的壓強(qiáng)不變，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，達(dá)到了平衡狀態(tài)，故E錯(cuò)誤；
故答案為：BC；
②A、恒溫恒容條件下，甲加入1molCO、2molH₂與乙中1molCH₃OH為等效平衡，則達(dá)到平衡時(shí)各組分的濃度都相等，所以c₁=c₂，故A正確；
B、由于甲和乙是從不同方向進(jìn)行的反應(yīng)，則甲放出的熱量與乙吸收的熱量不一定相等，故B錯(cuò)誤；
C、由于甲和乙為從不同的方向進(jìn)行的可逆反應(yīng)，兩個(gè)反應(yīng)中溫度相同，則平衡常數(shù)不變，所以K₁=K₂，故C正確；
D、甲和乙為等效平衡，反應(yīng)的方向完全不同，所以a₁=a₂，用于丙中濃度為甲的2倍，相當(dāng)于增大了壓強(qiáng)，丙中反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率大于甲，即a₃＞a₁，所以a₂+a₃＞100%，故D錯(cuò)誤；
故答案為：AC；
③t₃時(shí)刻，正逆反應(yīng)速率都增大，且逆反應(yīng)速率變化大，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)，應(yīng)為升高溫度，所以K₄＞K₅；
t₆時(shí)刻，正逆反應(yīng)速率都減小，且正反應(yīng)速率變化大，平衡向逆反應(yīng)移動(dòng)；應(yīng)為降低壓強(qiáng)，所以K₆=K₇；
t₅～t₆正逆速率都增大，平衡不移動(dòng)，應(yīng)是使用催化劑，K不變，所以K₅=K₆，所以K₄＞K₅=K₆=K₇，
根據(jù)t₃時(shí)刻升高了溫度，平衡向著逆向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率減小；t₄-t₅時(shí)使用催化劑，轉(zhuǎn)化率不變；t₆時(shí)減小了壓強(qiáng)，平衡向著逆向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率減小，所以t₂～t₃段A的轉(zhuǎn)化率最高，
故答案為：K₄＞K₅=K₆=K₇； t₂～t₃．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，題目難度中等，試題題量過(guò)大，難度較大，注意“始、轉(zhuǎn)、平”是解決有關(guān)化學(xué)平衡的“三段論”解題法，當(dāng)三組量一旦確定，可以解答有關(guān)平衡的平衡常數(shù)計(jì)算、轉(zhuǎn)化率、反應(yīng)速率、平衡時(shí)成分的體積分?jǐn)?shù)等的關(guān)鍵．