Question

下图是煤化工产业链的一部分,试运用所学知识,解决下列问题:

Ⅰ.已知该产业链中某反应的平衡常数表达式为:K=,写出它所对应反应的化学方程式:                                  

                                                      　。 

Ⅱ.二甲醚(CH₃OCH₃)在未来可能替代柴油和液化气作为洁净液体燃料使用。工业上以CO和H₂为原料生产CH₃OCH₃。工业制备二甲醚在催化反应室中(压力2.0～10.0 MPa,温度230～280 ℃)进行下列反应:

①CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g)

ΔH₁=-90.7 kJ·mol^-1

②2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)

ΔH₂=-23.5 kJ·mol^-1

③CO(g)+H₂O(g)CO₂(g)+H₂(g)

ΔH₃=-41.2 kJ·mol^-1

(1)写出催化反应室中三个反应的总反应的热化学方程式:                           。

(2)在某温度下,2 L密闭容器中发生反应①,起始时CO、H₂的物质的量分别为2 mol和6 mol,3 min后达到平衡,测得CO的转化率为60%,则3 min内CO的平均反应速率为　　　　　　　　。若同样条件下起始时CO物质的量为4 mol,达到平衡后CH₃OH为2.4 mol,则起始时H₂为　　　　mol。

(3)下列有关反应③的说法正确的是　　　　。

A.在体积可变的密闭容器中,在反应③达到平衡后,若加压,则平衡不移动、混合气体平均相对分子质量不变、混合气体密度不变

B.若830 ℃时反应③的K=1.0,则在催化反应室中反应③的K＞1.0

C.某温度下,若向已达平衡的反应③中加入等物质的量的CO和H₂O(g),则平衡右移、平衡常数变大

(4)为了寻找合适的反应温度,研究者进行了一系列实验,每次实验保持原料气组成、压强、反应时间等因素不变,实验结果如图,

则CO转化率随温度变化的规律是                                         　。

其原因是                                                    　。

Answer

Ⅰ.C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g)

Ⅱ.(1)3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)

ΔH=-246.1 kJ·mol-1

(2)0.2 mol·L-1·min-1 8.4 (3)B

(4)温度低于240 ℃时,CO的转化率随着温度的升高而增大;温度高于240 ℃时,CO的转化率随着温度的升高而减小

在相等的时间里,在较低温时,各反应体系均未达到平衡,CO的转化率主要受反应速率影响,随着温度的升高反应速率增大,CO的转化率也增大;在较高温时,各反应体系均已达到平衡,CO的转化率主要受反应限度影响,随着温度的升高平衡向逆反应方向移动,CO的转化率减小

【解析】Ⅰ.生成物中有CO,根据原子守恒,反应物中有固体C,

C(s)+H2O(g)H2(g)+CO(g)。

Ⅱ.(1)①×2+②+③得到

3CO(g)+3H2(g)CH3OCH3(g)+CO2(g)

ΔH=-246.1 kJ·mol-1。

(2)CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始浓度(mol·L-1)130

转化浓度(mol·L-1)0.61.20.6

平衡浓度(mol·L-1)0.41.80.6

v(CO)===0.2 mol·L-1·min-1。

设起始时H2浓度为x mol·L-1,

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

起始浓度(mol·L-1)2x0

转化浓度(mol·L-1)1.22.41.2

平衡浓度(mol·L-1)0.8x-2.41.2

条件不变,平衡常数不变:

=,

x=4.2,

则起始时加入的H2的物质的量为:

4.2 mol·L-1×2 L=8.4 mol。

(3)反应③是一个反应前后气体体积不变的反应,加压、容器体积减小,平衡不移动,混合气体平均相对分子质量不变,混合气体密度增大,A错;催化反应室中温度230～280 ℃,低于830 ℃,利于反应正向进行,K增大,K＞1.0,B正确;温度不变,平衡常数不变,C错。