Question

20．二甲醚是一種重要的清潔燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對(duì)臭氧層無(wú)破壞作用．工業(yè)上可利用煤的氣化產(chǎn)物（水煤氣）合成二甲醚．請(qǐng)回答下列問(wèn)題：
（1）寫出用碳制取水煤氣的化學(xué)反應(yīng)方程式為：C+H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂（注明反應(yīng)條件）
（2）利用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
總反應(yīng)：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂ （g）的△H=-246.4 kJ•mol^-1；
（3）一定條件下的密閉容器中，3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂ （g）達(dá)到平衡，要提高CO的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是c、e（填字母代號(hào)）．
a．高溫高壓　　　　     b．加入催化劑　     c．減少CO₂的濃度
d．增加CO的濃度　　　 e．分離出二甲醚
（4）已知反應(yīng)②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）某溫度下的平衡常數(shù)為400．此溫度下，在密閉容器中加入CH₃OH，反應(yīng)到某時(shí)刻測(cè)得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	CH3OH	CH3OCH3	H2O
濃度/ （mol•L-1）	0.44	0.6	0.6

①比較此時(shí)正、逆反應(yīng)速率的大小：v_正＞ v_逆 （填“＞”、“＜”或“=”）
②在相同溫度下，若起始加入CH₃OH的濃度為1.64mol/L后，經(jīng)10min反應(yīng)達(dá)到平衡，此時(shí)c（CH₃OCH₃）=0.8mol/L；該時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率v（CH₃OH）=0.16mol/L•min
（5）將煤加工成水煤氣可降低污染并能提高燃料的利用率，已知該反應(yīng)的△H＞0，△S＞0，該反應(yīng)在常溫下不能自發(fā)進(jìn)行？（填“能”或“不能”）

Answer 1

分析 （1）煤的氣化是利用煤與水蒸氣高溫條件小反應(yīng)，生成CO和H₂的過(guò)程；
（2）利用蓋斯定律計(jì)算，通過(guò)①×2+②+③可得所求反應(yīng)方程式，則△H=-90.8kJ/mol×2-23.5kJ/mol-41.3kJ/mol=-246.4kJ/mol；
（3）一定條件下的密閉容器中，該總反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高CO的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，可減少CO₂的濃度或分離出二甲醚，由于反應(yīng)放熱，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率減小，催化劑不影響平衡移動(dòng)，而增加CO的濃度，CO的轉(zhuǎn)化率反而減��；
（4）①根據(jù)Qc和K的大小關(guān)系進(jìn)行計(jì)算回答；
②根據(jù)方程式計(jì)算平衡常數(shù)，然后利用三段式法解答．
（5）根據(jù)反應(yīng)自發(fā)性的判據(jù)△H-T△S＜0進(jìn)行判斷回答．

解答 解：（1）煤的氣化是利用煤與水蒸氣高溫條件小反應(yīng)，生成CO和H₂的過(guò)程：C+H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂，
故答案為：C+H₂O$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂；
（2）由蓋斯定律可知，通過(guò)①×2+②+③可得所求反應(yīng)方程式，3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），△H=-90.8kJ/mol×2-23.5kJ/mol-41.3kJ/mol=-246.4kJ/mol，
故答案為：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.4 kJ•mol^-1；
（3）一定條件下的密閉容器中，該總反應(yīng)達(dá)到平衡，要提高CO的轉(zhuǎn)化率，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，可減少CO₂的濃度或分離出二甲醚，由于反應(yīng)放熱，升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率減小，催化劑不影響平衡移動(dòng)，而增加CO的濃度，CO的轉(zhuǎn)化率反而減小，故選ce；
（4）①該反應(yīng)的平衡常數(shù)表達(dá)式為：K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（C{H}_{3}OH）}$，
將所給濃度帶入平衡常數(shù)表達(dá)式，得到濃度商Qc=$\frac{0.6×0.6}{0.4{4}^{2}}$=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：＞；
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
初始濃度（mol•L^-1）：1.64          0          0
轉(zhuǎn)化濃度（mol•L^-1）：2x           x            x
平衡濃度（mol•L^-1）：1.64-2x       x          x
K=$\frac{{x}^{2}}{（1.64-2x）^{2}}$=200，解得x=0.8mol/L，故平衡時(shí)c（CH₃OCH₃）=0.8mol/L，
v（CH₃OH）=$\frac{1.6mol/L}{10min}$=0.16mol/L•min，
故答案為：0.8mol/L；0.16mol/L•min；
（5）反應(yīng)自發(fā)性的判據(jù)△H-T△S＜0，該反應(yīng)的△H＞0，△S＞0，該反應(yīng)在常溫下不能使判據(jù)小于零成立，故不能自發(fā)進(jìn)行，故答案為：不能．

點(diǎn)評(píng) 本題考查較為綜合，通過(guò)計(jì)算書寫燃料電池的電極反應(yīng)式、溶液中離子濃度大小關(guān)系等重要考點(diǎn)，題目難度中等，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)、轉(zhuǎn)化率等的計(jì)算．