Question

碳酸二甲酯（DMC）是一種近年來受到廣泛關(guān)注的環(huán)保型綠色化工產(chǎn)品．在催化劑作用下，可由甲醇和CO₂直接合成DMC：CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，但甲醇轉(zhuǎn)化率通常不會(huì)超過1%是制約該反應(yīng)走向工業(yè)化的主要原因．某研究小組在其他條件不變的情況下，通過研究溫度、反應(yīng)時(shí)間、催化劑用量分別對(duì)轉(zhuǎn)化數(shù)（TON）的影響來評(píng)價(jià)催化劑的催化效果．計(jì)算公式為：TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

．

（1）已知25℃時(shí)，甲醇和DMC的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱分別為△H₁和△H₂，則上述反應(yīng)在25℃時(shí)的焓變△H₃=

 

．
（2）根據(jù)反應(yīng)溫度對(duì)TON的影響圖（圖1）判斷該反應(yīng)的焓變△H

 

0（填“＞”、“=”或“＜”），理由是

 

．
（3）根據(jù)反應(yīng)時(shí)間對(duì)TON的影響圖（圖2倉(cāng)位），已知溶液總體積10mL，反應(yīng)起始時(shí)甲醇0.25mol，催化劑0.6×10^-5 mol，計(jì)算該溫度下，4～7h內(nèi)DMC的平均反應(yīng)速率：

 

；計(jì)算10h時(shí)，甲醇的轉(zhuǎn)化率：

 

．
（4）根據(jù)該研究小組的實(shí)驗(yàn)及催化劑用量對(duì)TON的影響圖（圖3），判斷下列說法正確的是

 

．
a．由甲醇和CO₂直接合成DMC，可以利用價(jià)廉易得的甲醇把影響環(huán)境的溫室氣體CO₂轉(zhuǎn)化為資源，在資源循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)方面都具有重要意義
b．在反應(yīng)體系中添加合適的脫水劑，將提高該反應(yīng)的TON
c．當(dāng)催化劑用量低于1.2×10^-5mol時(shí)，隨著催化劑用量的增加，甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率顯著提高
d．當(dāng)催化劑用量高于1.2×10^-5mol時(shí)，隨著催化劑用量的增加，DMC的產(chǎn)率反而急劇下降．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的調(diào)控作用,熱化學(xué)方程式

專題：化學(xué)平衡專題

分析：（1）利用蓋斯定律，根據(jù)甲醇和DMC的標(biāo)準(zhǔn)燃燒熱的熱化學(xué)方程式可以求得；
（2）分析溫度對(duì)反應(yīng)影響分析，隨溫度升高，TON先增大后減小，說明低溫時(shí)反應(yīng)正向進(jìn)行，180°C達(dá)到最大，說明費(fèi)用達(dá)到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫TON減小，說明平衡逆向進(jìn)行，依據(jù)平衡移動(dòng)原理分析正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；
（3）依據(jù)圖象分析，4～7h內(nèi)TON為10，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

，計(jì)算轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量，結(jié)合反應(yīng)速率還能計(jì)算得到甲醇反應(yīng)速率，反應(yīng)速率之比等于化學(xué)方程式計(jì)量數(shù)之比得到DMC的平均反應(yīng)速率；
（4）在催化劑作用下，可由甲醇和CO₂直接合成碳酸二甲酯（DMC）：CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，依據(jù)化學(xué)平衡原理和影響因素分析判斷平衡移動(dòng)方向，結(jié)合TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

，計(jì)算分析判斷選項(xiàng)．

解答： 解：（1）因?yàn)榉磻?yīng)CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，可由反應(yīng)①2CH₃OH+3O₂→2CO₂+4H₂O 和反應(yīng)②CO（OCH₃）₂+O₂→CO₂+3H₂O 進(jìn)行①×2-②得到，根據(jù)蓋斯定律可知△H₃=2△H₁-△H₂，故答案為：2△H₁-△H₂；
（2）隨溫度升高，TON先增大后減小，說明低溫時(shí)反應(yīng)正向進(jìn)行，180°C達(dá)到最大，說明費(fèi)用達(dá)到平衡狀態(tài)，繼續(xù)升溫TON減小，說明平衡逆向進(jìn)行，逆反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，依據(jù)平衡移動(dòng)原理分析正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，△H＜0，
故答案為：＜；經(jīng)過相同的反應(yīng)時(shí)間，溫度較低時(shí)，反應(yīng)未達(dá)到平衡；溫度較高時(shí)，反應(yīng)已達(dá)到平衡，隨著溫度升高，TON減小，即平衡向左移動(dòng)，說明該反應(yīng)放熱；
（3）圖象分析，4～7h內(nèi)TON為10，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

，計(jì)算轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量=10×0.6×10^-5 mol=6×10^-5mol，反應(yīng)甲醇的反應(yīng)速率=

6×10-5mol 0.010L

(7-4)h

=2×10^-3mol/L?h，V（DMC）=

1

2

V（CH₃OH）=1×10^-3mol/L?h，10h時(shí)TON為35，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

，計(jì)算轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量=35×0.6×10^-5 mol=2.1×10^-4mol，所以轉(zhuǎn)化率為

2.1×10-4mol

0.25mol

×100%=8.4×10^-2% 
故答案為：1×10^-3 mol?L^-1?h^-1；8.4×10^-2%；
（4）在催化劑作用下，可由甲醇和CO₂直接合成碳酸二甲酯（DMC）：CO₂+2CH₃OH→CO（OCH₃）₂+H₂O，
a．依據(jù)反應(yīng)化學(xué)方程式可知，甲醇和二氧化碳反應(yīng)生成DMC和水，由甲醇和CO₂直接合成DMC，可以利用甲醇把影響環(huán)境的溫室氣體CO₂轉(zhuǎn)化為資源，在資源循環(huán)利用和環(huán)境保護(hù)方面都具有重要意義，故a正確；
b．在反應(yīng)體系中添加合適的脫水劑，減少生成物濃度，平衡正向進(jìn)行，將提高該反應(yīng)的TON，故b正確；
c．當(dāng)催化劑用量低于1.2×10^-5mol時(shí)，轉(zhuǎn)化數(shù)增大，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

分析，催化劑改變反應(yīng)速率縮短反應(yīng)時(shí)間，不改變轉(zhuǎn)化率，故c錯(cuò)誤；
d．當(dāng)催化劑用量高于1.2×10^-5mol時(shí)，隨著催化劑用量的增加，依據(jù)TON=

轉(zhuǎn)化的甲醇的物質(zhì)的量

催化劑的物質(zhì)的量

分析，轉(zhuǎn)化數(shù)減小，DMC的產(chǎn)率不變，故d錯(cuò)誤；
故答案為：ab．

點(diǎn)評(píng)：本題考查圖象分析方法，反應(yīng)熱的計(jì)算，平衡影響因素，中等難度，充分運(yùn)用題中信息是解答本題的關(guān)鍵，題目難度中等．