Question

近年來，我國部分地區(qū)多次陷入嚴(yán)重霧霾之中，其中一個重要的原因是我國的能源消費結(jié)構(gòu)以燃煤為主，改變煤的利用方式可減少環(huán)境污染．以下是對煤進行處理的方法：
（1）將水蒸氣通過紅熱的碳即可產(chǎn)生水煤氣，其反應(yīng)為C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1，
①該反應(yīng)在

 

下能自發(fā)進行（填“高溫”或“低溫”）；
②煤氣化過程中產(chǎn)生的有害氣體H₂S可用足量的Na₂CO₃溶液吸收，該反應(yīng)的離子方程式為

 

．（已知：H₂S K_a1=9.1×10^-8；K_a2=1.1×10^-12  H₂CO₃ K_a1=4.30×10^-7；K_a2=5.61×10^-11）
（2）利用水煤氣作為合成氣，在同一個容器中，選擇雙催化劑，經(jīng)過如下三步反應(yīng)，最終合成二甲醚，此工藝稱之為“一步法”合成二甲醚．

反應(yīng)過程	化學(xué)方程式	△H（kJ?mol-1）
甲醇合成反應(yīng)	2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g）	-90.8
水煤氣變換反應(yīng)	CO（g）+H2O（g）═CO2（g）+H2（g）	-41.3
甲醇脫水反應(yīng)	2CH3OH（g）=CH3OCH3（g）+H2O（g）	-23.5

①一步法合成二甲醚：3H₂（g）+3CO（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂ （g）△H=

 

．
②該反應(yīng)在一定條件下的密閉容器中達到平衡后，為同時提高化學(xué)反應(yīng)速率和二甲醚的產(chǎn)率，可以采取的措施是

 

 （填字母代號）．
a．降低溫度           b．縮小容器體積          c．加入催化劑
d．增加H₂的濃度      e．分離出二甲醚
（3）控制反應(yīng)條件，水煤氣作為合成氣也可以用來合成甲醇．在相同條件下合成二甲醚和合成甲醇的原料轉(zhuǎn)化率隨氫碳比的變化如圖所示：

①合成二甲醚的最佳H₂/CO比為

 

．對于氣相反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），寫出“一步法”合成二甲醚的K_P=

 

，提高H₂/CO比，則K_P

 

（填“變大”、“變小”或“不變”）
②以水煤氣作為原料氣，在相同條件下一步法合成二甲醚的轉(zhuǎn)化率為什么明顯高于合成甲醇的轉(zhuǎn)化率

 

．

Answer 1

分析：（1）①根據(jù)△G=△H-T△S判斷，△G＜0，反應(yīng)自發(fā)進行；
②根據(jù)碳酸和氫硫酸的兩步電離平衡常數(shù)進行比較氫硫酸與碳酸、碳酸氫根離子離子酸性大小，從而得出反應(yīng)產(chǎn)物，寫出反應(yīng)的離子方程式；
（2）①根據(jù)題中熱化學(xué)方程式及蓋斯定律計算出反應(yīng)3H₂（g）+3CO（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂ 的焓變；
②根據(jù)影響化學(xué)反應(yīng)速率因素、影響二甲醚產(chǎn)率因素進行判斷；
（3）①根據(jù)圖象可知，H₂/CO之比為1時，氫氣和一氧化碳的轉(zhuǎn)化率最大；將化學(xué)平衡常數(shù)中的濃度c換成壓強P就可以得到K_P；溫度不變，化學(xué)平衡常數(shù)不變；
②根據(jù)一步法合成二甲醚的過程中，甲醇的脫水反應(yīng)消耗甲醇、水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣對合成二甲醚的影響分析．

解答：解：（1）①由熱化學(xué)反應(yīng)方程式可知，該反應(yīng)為焓增、熵增過程，即△H＞0、△S＞0，必須滿足△G=△H-T△S＜0反應(yīng)才能自發(fā)進行，所以在高溫下能夠自發(fā)進行，
故答案為：高溫；          
 ②由于K_a2=5.61×10^-11＜K_a1=9.1×10^-8＜K_a1=4.30×10^-7、K_a2=5.61×10^-11＞K_a2=1.1×10^-12，所以氫硫酸能夠與碳酸鈉溶液反應(yīng)生成碳酸氫鈉和硫氫化鈉，反應(yīng)的離子方程式為：CO₃^2-+H₂S=HCO₃^-+HS^-，
故答案為：CO₃^2-+H₂S=HCO₃^-+HS^-；
（2））①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ?mol^-1①
2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ?mol^-1②
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ?mol^-1③
由蓋斯定律②+③+①×2可得：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.4 kJ?mol^-1，
故答案為：-246.4 kJ?mol^-1；
②一定條件下的密閉容器中，該總反應(yīng)達到平衡，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)前后氣體體積減小的反應(yīng)，提高化學(xué)反應(yīng)速率和二甲醚的產(chǎn)率，平衡應(yīng)該向著正向進行，
a、降低溫度，正逆反應(yīng)速率都減小，不滿足要求，故a錯誤；
b、縮小容器體積，壓強增大，平衡向著正向移動，反應(yīng)速率和二甲醚產(chǎn)率都增大，故b正確；          
c、加入催化劑，改變反應(yīng)速率不改變化學(xué)平衡，二甲醚產(chǎn)率不變，故b錯誤；       
d、增加氫氣濃度，反應(yīng)速率增大，平衡向著正向移動，二甲醚的產(chǎn)率增大，故d正確；
e．分離出二甲醚（CH₃OCH₃），平衡正向進行，但是反應(yīng)速率減小，故e錯誤；
故選bd；
（3）①由題中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)氫氣與一氧化碳的物質(zhì)的量之比為1時，氫氣和一氧化碳的轉(zhuǎn)化率最高，所以合成二甲醚的最佳H₂/CO比為1；用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），則“一步法”合成二甲醚的K_P=

P(CH3OCH3)?P(CO2)

P3(H2)P3(CO)

；由于溫度不變，化學(xué)平衡常數(shù)K_P不變，
故答案為：1；

P(CH3OCH3)?P(CO2)

P3(H2)P3(CO)

；不變；
②由于一步法合成二甲醚的過程中，甲醇的脫水反應(yīng)消耗甲醇，水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣都有利于甲醇合成反應(yīng)向正向進行，提高了原料氣的轉(zhuǎn)化率，所以以水煤氣作為原料氣，在相同條件下一步法合成二甲醚的轉(zhuǎn)化率明顯高于合成甲醇的轉(zhuǎn)化率，
故答案為：一步法合成二甲醚的過程中，甲醇的脫水反應(yīng)消耗甲醇，水煤氣變換反應(yīng)產(chǎn)生氫氣都有利于向著甲醇合成反應(yīng)向正向進行，提高了原料氣的轉(zhuǎn)化率．

點評：本題考查了熱化學(xué)方程式的書寫方法和蓋斯定律的計算應(yīng)用、化學(xué)平衡的影響因素、反應(yīng)熱與焓變等知識，題目難度較大，注意掌握化學(xué)平衡的影響因素、明確平衡常數(shù)隨溫度變化，能夠利用蓋斯定律和熱化學(xué)方程式計算反應(yīng)熱．