Question

近年来，我国部分地区多次陷入严重雾霾之中，其中一个重要的原因是我国的能源消费结构以燃煤为主，改变煤的利用方式可减少环境污染．以下是对煤进行处理的方法：
（1）将水蒸气通过红热的碳即可产生水煤气，其反应为：C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1，该反应在

 

下能自发进行（填“高温”或“低温”）；
（2）利用水煤气作为合成气，在同一个容器中，选择双催化剂，经过如下三步反应，最终合成二甲醚，此工艺称之为“一步法”合成二甲醚．

反应过程	化学方程式	△H（kJ?mol-1）
甲醇合成反应	2H2（g）+CO（g）═CH3OH（g）	-90.8
水煤气变换反应	CO（g）+H2O（g）═CO2（g）+H2（g）	-41.3
甲醇脱水反应	2CH3OH（g）═CH3OCH3（g）+H2O（g）	-23.5

①一步法合成二甲醚：3H₂（g）+3CO（g）═CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=

 

．
②该反应在一定条件下的密闭容器中达到平衡后，为同时提高化学反应速率和二甲醚的产率，可以采取的措施是

 

 （填字母代号）．
a．降低温度           b．缩小容器体积          c．加入催化剂
d．增加H₂的浓度      e．分离出二甲醚           f．充入惰性气体
（3）控制反应条件，水煤气作为合成气也可以用来合成甲醇．在相同条件下合成二甲醚和合成甲醇的原料转化率随氢碳比的变化如图所示：
①合成二甲醚的最佳H₂/CO比为

 

．对于气相反应，用某组分（B）的平衡压强（P_B）代替物质的量浓度（c_B）也可以表示平衡常数（记作K_P），写出“一步法”合成二甲醚的K_P=

 

，提高H₂/CO比，则K_P

 

（填“变大”、“变小”或“不变”）
②以水煤气作为原料气，在相同条件下一步法合成二甲醚的转化率为什么明显高于合成甲醇的转化率

 

．

Answer 1

考点：转化率随温度、压强的变化曲线,反应热和焓变,化学平衡的影响因素

专题：基本概念与基本理论

分析：（1）根据△G=△H-T△S判断，△G＜0，反应自发进行；
（2）①根据题中热化学方程式及盖斯定律计算出反应3H₂（g）+3CO（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂ 的焓变；
②根据影响化学反应速率因素、影响二甲醚产率因素进行判断；
（3）①根据图象可知，H₂/CO之比为1时，氢气和一氧化碳的转化率最大；将化学平衡常数中的浓度c换成压强P就可以得到K_P；温度不变，化学平衡常数不变；
②根据一步法合成二甲醚的过程中，甲醇的脱水反应消耗甲醇、水煤气变换反应产生氢气对合成二甲醚的影响分析．

解答： 解：（1）由热化学反应方程式可知，该反应为焓增、熵增过程，即△H＞0、△S＞0，必须满足△G=△H-T△S＜0反应才能自发进行，所以在高温下能够自发进行，
故答案为：高温；          
 （2））①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8kJ?mol^-1①
2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H=-23.5kJ?mol^-1②
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H=-41.3kJ?mol^-1③
由盖斯定律②+③+①×2可得：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.4 kJ?mol^-1，
故答案为：-246.4 kJ?mol^-1；
②一定条件下的密闭容器中，该总反应达到平衡，反应是放热反应，反应前后气体体积减小的反应，提高化学反应速率和二甲醚的产率，平衡应该向着正向进行，
a、降低温度，正逆反应速率都减小，不满足要求，故a错误；
b、缩小容器体积，压强增大，平衡向着正向移动，反应速率和二甲醚产率都增大，故b正确；          
c、加入催化剂，改变反应速率不改变化学平衡，二甲醚产率不变，故b错误；       
d、增加氢气浓度，反应速率增大，平衡向着正向移动，二甲醚的产率增大，故d正确；
e．分离出二甲醚（CH₃OCH₃），平衡正向进行，但是反应速率减小，故e错误；
故选bd；
（3）①由题中数据可知，当氢气与一氧化碳的物质的量之比为1时，氢气和一氧化碳的转化率最高，所以合成二甲醚的最佳H₂/CO比为1；用某组分（B）的平衡压强（P_B）代替物质的量浓度（c_B）也可以表示平衡常数（记作K_P），则“一步法”合成二甲醚的K_P=

P(CH 3OCH 3)?P(CO 2)

P 3(H 2)P 3(CO)

；由于温度不变，化学平衡常数K_P不变，
故答案为：1；

P(CH 3OCH 3)?P(CO 2)

P 3(H 2)P 3(CO)

；不变；
②由于一步法合成二甲醚的过程中，甲醇的脱水反应消耗甲醇，水煤气变换反应产生氢气都有利于甲醇合成反应向正向进行，提高了原料气的转化率，所以以水煤气作为原料气，在相同条件下一步法合成二甲醚的转化率明显高于合成甲醇的转化率，
故答案为：一步法合成二甲醚的过程中，甲醇的脱水反应消耗甲醇，水煤气变换反应产生氢气都有利于向着甲醇合成反应向正向进行，提高了原料气的转化率．

点评：本题考查了热化学方程式的书写方法和盖斯定律的计算应用、化学平衡的影响因素、反应热与焓变等知识，题目难度较大，注意掌握化学平衡的影响因素、明确平衡常数随温度变化，能够利用盖斯定律和热化学方程式计算反应热．