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。回答下列問題：

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

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＝__________，有利于提高該反應中CO2平衡轉化率的條件是______（填標號）。

A．高溫低壓 B．高溫高壓 C．低溫低壓 D．低溫高壓

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

反應時間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)計算：0~6.5min內的平均反應速率v(CH3OCH3)＝_________，反應達平衡時，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，則該反應為______反應（填“放熱”或“吸熱”），要縮短達到平衡的時間，可采取的措施有___________、__________。

（3）在T2K、1.0×104kPa下，等物質的量的CO與CH4混合氣體發(fā)生如下反應： CO(g)＋CH4(g)CH3CHO(g),反應速率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×體積分數(shù)）。用氣體分壓表示的平衡常數(shù)Kp＝4.5×10-5(kPa)-1，則CO轉化率為20%時 ＝_______。

Answer 1

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

【解析】

(1)根據(jù)已知熱化學方程式推導所求反應，再由蓋斯定律計算2CO2(g)＋6H2(g)CH3OCH3(g)＋3H2O(g)的焓變△H；該反應正向是體積減小的放熱反應，改變條件使反應正向進行，可提高反應中CO2平衡轉化率；

(2)①根據(jù)恒溫恒容條件下，氣體的物質的量之比等于壓強之比計算混合氣體的物質的量，結合三段式計算0～6.5min內和t=∞時各物質的濃度，利用速率公式和平衡常數(shù)k表達式計算；

②根據(jù)化學平衡移動的影響因素判斷反應移動情況，根據(jù)化學反應速率影響因素說明提高反應速率的措施；

(3)先通過反應達到平衡時v正=v逆推導出平衡常數(shù)kp=，再利用三段式計算平衡氣體分壓p(CO)、p(CH4)、p(CH3CHO)計算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，即反應正向是體積減小的放熱反應，增大壓強、降低溫度、增大c(H2)、分離CH3OCH3等均可提高CO2平衡轉化率，所以合理選項是D；

(2)①0～6.5 min內反應的三段式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，氣體的物質的量之比等于壓強之比，即(1+2x)：1=55.0kPa：50kPa，解得x=0.05mol，0～6.5 min內的平均反應速率v(CH3OCH3)=mol//(Lmin)

平衡時反應的三段式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，氣體的物質的量之比等于壓強之比，即(1+2y)：1=125.0kPa：50kPa，y=0.75mol，反應達平衡時，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，說明升高溫度，化學平衡向逆反應方向移動，所以該反應的正反應是放熱反應。縮短達到平衡的時間，即加快反應速率，加快反應速率的方法有：改進催化劑，增大反應物濃度、增大壓強、升高溫度等。

(3)當反應達到平衡時v正=v逆，則=kp=4.5×10-5(kPa-1) ；

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

反應的三段式為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=。