Question

二甲醚(CH₃OCH₃)是一种清洁能源。工业上，常利用CO₂和H₂合成二甲醚。有关反应如下(z、y、z均大于0)：

①2CH₃OH(g)⇌CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)   △H₁= -xkJ·mol^-1

②CO(g)+H₂O(g)⇌CO₂(g)+H₂(g)     △H₂= -ykJ·mol^-1

③CO₂(g)+3H₂(g)⇌CH₃OH(g)+H₂O(g)    △H₃= -zkJ·mol^-1

(1)2CO₂(g)+6H₂(g)⇌CH₃OCH₃(g)+3H₂O(g)    △H= ___________kJ·mol^-1

(2)下列有关合成二甲醚的说法正确的是 ___(填字母)。

a.增大压强能提高反应速率和CO₂的平衡转化率

b.体系中减小，平衡一定向正方向移动

c.容器体积一定，混合气体密度不变时一定达到平衡状态

d.充入适量CO，可能提高CH₃OCH₃的产率

(3)在一定温度下，在恒容密闭容器中发生反应：CO(g)+H₂O(g)⇌CO₂(g)+H₂(g)，速率表达式为v=v_正-v_逆=k_正c(CO)·c(H₂O)-k_逆c(CO₂)·c(H₂O)(其中，k_正、k_逆为正、逆速率常数，与浓度无关)。达到平衡时，升高温度，将_____选填“增大”“减小”或“不变”)。

(4)在恒容密闭容器中用CO₂和H₂合成二甲醚时CO₂的平衡转化率与温度、投料比的关系如图所示。

①500K时，将9mol H₂和3mol CO₂充入2L恒容密闭容器中，5min时反应达到平衡状态，则0～5min内的平均反应速率v(H₂)=____________ mol∙L^-1∙min^-l，该温度下，反应的平衡常数K=____(列出计算式即可，无需化简)。

②由图像可以得出的结论是_________(答两条)。

(5)工业上也可用CO和H₂合成二甲醚，而且二者还能作燃料电池的燃料。以CO、H₂体积比为1:2的混合气体与空气在KOH溶液中构成燃料电池(以石墨为电极)，开始时，负极的电极反应式为____。

Answer

-(x+2z) ad 减小 0.72 投料比不变，升高温度CO2的平衡转化率降低，温度不变，投料比越大，CO2的平衡转化率越大 CO+ 2H2 – 6e- +8OH- = CO32- + 6H2O

【解析】

(1)已知：①2CH3OH(g)⇌CH3OCH3(g)+H2O(g) △H1= -xkJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) △H3= -zkJ·mol-1

根据盖斯定律可知①+2×③可得反应2CO2(g)+6H2(g)⇌CH3OCH3(g)+3H2O(g)，所以△H=△H1+2△H3=-(x+2z) kJ·mol-1；

(2)a．合成二甲醚的反应为气体体积减小的反应，所以增大压强可以提高反应速率同时使平衡正向移动，提高CO2的平衡转化率，故a正确；

b．若分离出CO2使体系减小，平衡逆向移动，故b错误；

c．容器体积不变，且反应物和生成物均为气体，则平衡移动过程中气体的质量不变，所以混合气体的密度一直不变，不能根据密度不变判断是否达到平衡，故c错误；

d．充入CO可使反应②平衡右移增大CO2的量，促使反应③正向移动，提高二甲醚的产率，故d正确；

故答案为ad；

(3)平衡状态时，正、逆反应速率相等，即k正c(CO)·c(H2O)=k逆c(CO2)·c(H2O)，可得=K(平衡常数)，该反应正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，平衡常数减小，即减小；

(4)①500K、投料比等于3时，CO2的平衡转化率为80%，容器体积为2L，则在该时间段内二氧化碳的平均反应速率为=0.24 mol∙L-1∙min-l，同一反应同一时段内不同物质反应速率之比等于计量数之比，所以v(H2)=3v(CO2)=0.72 mol∙L-1∙min-l；列三段式有

则该反应的平衡常数K==；

②根据图像可知投料比不变，升高温度CO2的平衡转化率降低，温度不变，投料比越大，CO2的平衡转化率越大；

(5)CO和H2在反应过程中被氧化，所以在负极区充入，电解质溶液为KOH溶液，所以电极方程式为CO+ 2H2 – 6e- +8OH- =CO32- + 6H2O。