Question

甲醇（CH₃OH）和二甲醚（CH₃OCH₃）被稱為21世紀(jì)的新型燃料．以CH₄和H₂O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如下：

（1）寫出催化反應(yīng)室1中在一定條件下進(jìn)行的化學(xué)反應(yīng)方程式：

 

．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，反應(yīng)室3（容積為V L）中a mol CO與2a mol H₂在催化劑作用下反應(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），CO的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示，則
①p₁

 

（填“＜”“＞”或“=”）p₂．
②在其他條件不變的情況下，反應(yīng)室3再增加a mol CO與2a mol H2，達(dá)到新平衡時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率

 

（填“增大”“減小”或“不變”）．
③在p₁壓強(qiáng)下，100℃時(shí)，反應(yīng)：CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為

 

．（用含a、V的代數(shù)式表示）

（3）圖2為綠色電源“二甲醚燃料電池”的工作原理示意圖，a電極的電極反應(yīng)式為

 

．
（4）水煤氣合成二甲醚的三步反應(yīng)如下：
①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）；△H=-90.8kJ?mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）；△H=-23.5kJ?mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）；△H=-41.3kJ?mol^-1
則反應(yīng)：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的△H=

 

．

Answer 1

分析：（1）由工藝流程圖可知，催化反應(yīng)室1中發(fā)生的反應(yīng)是甲烷與水在一定條件下生成一氧化碳與氫氣；
（2）①由圖1可知，溫度相同時(shí)，在壓強(qiáng)為P₂時(shí)平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率高，由反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）可知壓強(qiáng)越大，越有利于平衡向正反應(yīng)進(jìn)行；
②在其它條件不變的情況下，反應(yīng)室3再增加a molCO與2amolH₂，等效為增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率增大；
③由圖1可知，在P₁壓強(qiáng)下，100℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，據(jù)此計(jì)算CO的濃度變化量，根據(jù)三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的平衡濃度，計(jì)算合成甲醇的化學(xué)平衡常數(shù)，再利用相同溫度下，對同一反應(yīng)的正逆反應(yīng)平衡常數(shù)互為倒數(shù)計(jì)算甲醇分解的化學(xué)平衡常數(shù)；
（3）反應(yīng)本質(zhì)是二甲醚的燃燒，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極放電，由圖可知，a極為負(fù)極，二甲醚放電生成二氧化碳，由離子交換膜可知還生成氫離子；
（4）根據(jù)蓋斯定律由已知的熱化學(xué)方程式乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減，來構(gòu)造目標(biāo)熱化學(xué)方程式，反應(yīng)熱也乘以相應(yīng)的數(shù)值進(jìn)行加減．

解答：解：（1）由工藝流程圖可知，催化反應(yīng)室1中發(fā)生的反應(yīng)是甲烷與水在一定條件下生成一氧化碳與氫氣，反應(yīng)方程式為：CH₄+H₂O

一定條件  .

CO+3H₂，
故答案為：CH₄+H₂O

一定條件  .

CO+3H₂；
（2））①由圖1可知，溫度相同時(shí)，在壓強(qiáng)為P₂時(shí)平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率高，由反應(yīng)CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）可知壓強(qiáng)越大，越有利于平衡向正反應(yīng)進(jìn)行，故壓強(qiáng)P₁＜P₂，
故答案為：＜；
②在其它條件不變的情況下，反應(yīng)室3再增加a molCO與2amolH₂，等效為增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率增大，故答案為：增大；
③CO的起始濃度為

a

V

mol/L，H₂的起始濃度為

2a

V

mol/L，由圖1可知，在P₁壓強(qiáng)下，100℃時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，CO的濃度變化量為

a

V

mol/L×0.5=

a

2V

mol/L，則：
               CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
開始（mol/L）：

a

V

       

2a

V

         0
變化（mol/L）：

a

2V

      

a

V

        

a

2V

平衡（mol/L）：

a

2V

       

a

V

        

a

2V

所以平衡常數(shù)k=

a 2V

a 2V ×( a V )2

=

V2

a2

故相同溫度下，CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）的平衡常數(shù)為

1

V2 a2

=

a2

V2

，
故答案為：

a2

V2

；
（3）反應(yīng)本質(zhì)是二甲醚的燃燒，原電池負(fù)極發(fā)生氧化反應(yīng)，二甲醚在負(fù)極放電，由圖可知，a極為負(fù)極，二甲醚放電生成二氧化碳，由離子交換膜可知還生成氫離子，a電極的電極反應(yīng)式為：CH₃OCH₃-12e^-+3H₂O=2CO₂+12H⁺，故答案為：CH₃OCH₃+3H₂O-12e^-=2CO₂+12H⁺；
（4）已知：①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ/mol，
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ/mol，
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ/mol，
由蓋斯定律可知，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.4kJ/mol，
故答案為：-246.4kJ/mol．

點(diǎn)評：本題考查影響平衡的因素、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡圖象、反應(yīng)熱的計(jì)算等，難度中等，（3）中注意根據(jù)離子交換膜判斷有氫離子生成是關(guān)鍵，可以利用總反應(yīng)式減去正極反應(yīng)式進(jìn)行書寫．