Question

【題目】研究CO、CO2的回收利用既可變廢為寶，又可減少碳的排放�；卮鹣铝袉�(wèn)題：

（1）二甲醚（CH3OCH3）被譽(yù)為“21世紀(jì)的清潔燃料”，由CO和H2制備二甲醚的反應(yīng)原理如下：

CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝-90.1kJ/mol

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH＝-24.5kJ/mol

已知：CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝-41.0kJ/mol

則2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)的ΔH＝__________，有利于提高該反應(yīng)中CO2平衡轉(zhuǎn)化率的條件是______（填標(biāo)號(hào)）。

A．高溫低壓 B．高溫高壓 C．低溫低壓 D．低溫高壓

（2）T1K時(shí)，將1mol二甲醚引入一個(gè)抽空的150L恒容容器中，發(fā)生分解反應(yīng)： CH3OCH3(g)CH4(g)＋H2(g)＋CO(g),在不同時(shí)間測(cè)定容器內(nèi)的總壓，所得數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：

反應(yīng)時(shí)間t/min	0	6.5	13.0	26.5	52.6	∞
氣體總壓p總/kPa	50.0	55.0	65.0	83.2	103.8	125.0

①由表中數(shù)據(jù)計(jì)算：0~6.5min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OCH3)＝_________，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，二甲醚的分解率為_______，該溫度下平衡常數(shù)K＝__________。

②若升高溫度，CH3OCH3的濃度增大，則該反應(yīng)為______反應(yīng)（填“放熱”或“吸熱”），要縮短達(dá)到平衡的時(shí)間，可采取的措施有___________、__________。

（3）在T2K、1.0×104kPa下，等物質(zhì)的量的CO與CH4混合氣體發(fā)生如下反應(yīng)： CO(g)＋CH4(g)CH3CHO(g),反應(yīng)速率v＝v正v逆＝k正p(CO)·p(CH4)－k逆p(CH3CHO)，k正、k逆分別為正、逆向反應(yīng)速率常數(shù)，p為氣體的分壓（氣體分壓p＝氣體總壓p總×體積分?jǐn)?shù)）。用氣體分壓表示的平衡常數(shù)Kp＝4.5×10-5(kPa)-1，則CO轉(zhuǎn)化率為20%時(shí) ＝_______。

Answer 1

【答案】-122.7kJ/mol D 5.13×10-5mol/(L·min) 75% 7.5×10-5(mol/L)2 放熱 改進(jìn)催化劑 增大反應(yīng)物濃度 4:5

【解析】

(1)根據(jù)已知熱化學(xué)方程式推導(dǎo)所求反應(yīng)，再由蓋斯定律計(jì)算2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)的焓變△H；該反應(yīng)正向是體積減小的放熱反應(yīng)，改變條件使反應(yīng)正向進(jìn)行，可提高反應(yīng)中CO2平衡轉(zhuǎn)化率；

(2)①根據(jù)恒溫恒容條件下，氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比計(jì)算混合氣體的物質(zhì)的量，結(jié)合三段式計(jì)算0～6.5min內(nèi)和t=∞時(shí)各物質(zhì)的濃度，利用速率公式和平衡常數(shù)k表達(dá)式計(jì)算；

②根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)的影響因素判斷反應(yīng)移動(dòng)情況，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率影響因素說(shuō)明提高反應(yīng)速率的措施；

(3)先通過(guò)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)v正=v逆推導(dǎo)出平衡常數(shù)kp=，再利用三段式計(jì)算平衡氣體分壓p(CO)、p(CH4)、p(CH3CHO)計(jì)算v正、v逆的比。

(1)①CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g) ΔH＝-90.1kJ/mol

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)＋H2O(g) ΔH＝-24.5kJ/mol

CO(g)＋H2O(g)CO2(g)＋H2(g) ΔH＝-41.0kJ/mol

由蓋斯定律2×①+②-2×③有2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)的△H=2×(-90.1 kJ/mol)+(-24.5kJ/mol)-2×(-41.0 kJ/mol)= -122.7 kJ/mol；

2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)的△H=-122.7 kJ/mol，即反應(yīng)正向是體積減小的放熱反應(yīng)，增大壓強(qiáng)、降低溫度、增大c(H2)、分離CH3OCH3等均可提高CO2平衡轉(zhuǎn)化率，所以合理選項(xiàng)是D；

(2)①0～6.5 min內(nèi)反應(yīng)的三段式CH3OCH3(g)CH4(g)＋H2(g)＋CO(g)

起始量（mol） 1 0 0 0

變化量（mol） x x x x

最終量（mol） 1-x x x x

恒溫恒容條件下，氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比，即(1+2x)：1=55.0kPa：50kPa，解得x=0.05mol，0～6.5 min內(nèi)的平均反應(yīng)速率v(CH3OCH3)=mol//(Lmin)

平衡時(shí)反應(yīng)的三段式CH3OCH3(g)CH4(g)＋H2(g)＋CO(g)

起始量（mol） 1 0 0 0

變化量（mol） y y y y

最終量（mol） 1-y y y y

在恒溫恒容條件下，氣體的物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比，即(1+2y)：1=125.0kPa：50kPa，y=0.75mol，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)，二甲醚的分解率=×100=75%，c(CH3OCH3)==mol/L； c(CH4)=c(H2)=c(CO)=mol/L；平衡常數(shù)K==7.5×10-5；

②升高溫度，CH3OCH3的濃度增大，說(shuō)明升高溫度，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)。縮短達(dá)到平衡的時(shí)間，即加快反應(yīng)速率，加快反應(yīng)速率的方法有：改進(jìn)催化劑，增大反應(yīng)物濃度、增大壓強(qiáng)、升高溫度等。

(3)當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)v正=v逆，則=kp=4.5×10-5(kPa-1) ；

T2 K、1.0×104 kPa時(shí)，設(shè)起始時(shí)n(CH4)=n(CO)=1mol，則

反應(yīng)的三段式為CO(g)+CH4(g)CH3CHO(g)

起始量（mol） 1 1 0

變化量（mol） 0.2 0.2 0.2

最終量（mol） 0.8 0.8 0.2

所以p(CH4)=p(CO)=×1.0×104 kPa=×1.0×104 kPa，p(CH3CHO)=×1.0×104 kPa=×1.0×104 kPa，所以v正═k正p(CH4)p(CO)，v逆=k逆p(CH3CHO)， =4.5×10-5(kPa)-1=。