Question

一种通过铁基氧载体（Fe₃O₄/FeO）深度还原和再生来合成二甲醚（CH₃OCH₃）的原理如下图：

(1)二甲醚的合成反应：3CO(g)+3H₂(g) CH₃OCH₃(g)+CO₂(g)  ΔH₁

①已知CO、H₂与CH₃OCH的燃烧热(ΔH)分别为a kJ·mol^-1、b kJ·mol^-1、c kJ·mol^-1、(a、b、c均小于0)，则ΔH₁=________kJ·mol^-1。

②该反应选用CuO/ZnO/Al₂O₃复合催化剂，该催化剂能_______（填标号）。

A.促进平衡正向移动       B.提高反应速率

C.降低反应的活化能       D.改变反应的焓变

(2)CH₄氧化器中发生的主反应：

ⅰ. CH₄(g)+Fe₃O₄(s)CO(g)+2H₂(g)+3Fe(s)

ⅱ. CH₄(g)+4Fe₃O₄(s)CO₂(g)+2H₂O(g)+12FeO(s)

850℃时，压强和部分气体体积分数、固相各组分质量分数的关系如右下图。

①随着压强的增大，反应ⅰ的平衡常数K值________（填“增大”、“减小”、 或“不变”）

②结合图像，分析H₂O的体积分数变化的原因_________（用化学方程式表示）

(3)将一定量的FeO和CO₂置于CO₂还原器（体积不变的密闭容器）中，发生的主反应：

CO₂(g)+3FeO(s)Fe₃O₄(s)+ CO (g)   ΔH₂

保持其他条件不变，测得不同温度下最终反应体系中CO、CO₂体积分数如下表：

温度I/℃	100	170	200	300	400	500
CO2体积分数	0.67	0.67	0.75	0.82	0.9	0.92
CO体积分数	0.33	0.33	0.25	0.18	0.1	0.08

①ΔH₂_______0（填“>”或“<”）。

②若在150℃时进行上述转化，理论转化率ɑ(FeO)=___________。

③在上述反应体系中，一定可以说明该反应达到平衡状态的是______（填标号）。

A.体系的压强不变          B.CO₂的物质的量不变

C.CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零    D.气体的平均摩尔质量不变

④根据化学反应原理，分析CO₂还原器温度设置在170℃的原因___________。

Answer

（3a+3b-c） BC 不变 Fe3O4+H23FeO+H2O < 100% C 温度过高，CO2的转化率低；温度过低，反应速率比较慢

【解析】(1)二甲醚的合成反应：3CO(g)+3H2(g) CH3OCH3(g)+CO2(g) ΔH1

①已知：②CO(g)+ O2(g)=CO2(g) ΔH2=a kJ·mol-1，③H2(g)+ O2(g)=H2O(l) ΔH3=b kJ·mol-1， ④CH3OCH3(g)+3O2(g)=3H2O(l) +2CO2(g) ΔH4=c kJ·mol-1，根据盖斯定律可知，②×3+③×3-④可得3CO(g)+3H2(g) CH3OCH3(g)+CO2(g) ，则ΔH1=（3a+3b-c）kJ·mol-1；

②催化剂能降低反应所需要的活化能，不影响焓变，同等程度加快正逆反应速率，平衡不移动，故答案为BC；

（2）①反应方程式的系数确定后，平衡常数只与温度有关，温度不变，平衡常数不变，故改变压强，K值不变；

②结合图像可以看出H2O的体积分数变大的同时H2的体积分数在减小，所以发生的反应是Fe3O4+H23FeO+H2O ；

（3）①根据表中数据可以看出，随着温度的升高，CO2的体积分数变大，CO的体积分数变小，说明平衡逆向移动，而温度升高，平衡朝吸热方向移动，说明逆向是吸热的，那么正向是放热的，即ΔH2＜0；

②由图表可以看出温度从100℃上升到170℃，CO2和CO的体积分数都没变，说明这个区域内虽然温度变化，但是平衡没有移动，理论上已经全部转化了，所以理论值是100%；

③反应CO2(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+ CO (g)是前后体积不变的反应，所以压强不变不能判断是否达到平衡，A错误；由第②问可以看出温度从100℃上升到170℃，已经完全转化了，此时CO2和CO的体积分数都没变，但是此时不算平衡状态，所以B和D错误；只有C是根据化学平衡的定义描述的，即平衡时正逆反应速率相等且不0，故C正确，答案为C。

④温度选择170℃从平衡的角度分析，是因为温度过高，CO2的转化率会变低，而从速率的角度分析，温度过低又会使反应速率变慢，则应选择一个合适的温度。