Question

2．近几年，利用CO₂合成二甲醚已成为人们所关注的热点．其反应原理如下：
反应①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₁=-49.01kJ/moL
反应②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）△H₂=-24.52kJ/moL
反应③CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（l）△H₃
请回答：
（1）CO₂转化成二甲醚的反应原理为：
反应④：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H₄=-122.54kJ/mol．
（2）下列不能说明反应③在298K、恒容条件下达化学平衡的状态是B．
A．v正（H₂）=v逆（H₂O）
B．n（CO₂）：n（H₂）：n（CO）：n（H₂O）=1：1：1：1
C．混合气体的密度不变
D．混合气体的平均相对分子质量不变
E．容器的压强不变
（3）写出反应②在500K时的平衡常数表达式：K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{c（{C{H}_{3}OH）}^{2}}$．
（4）如图表示起始投料量$\frac{{H}_{2}}{C{O}_{2}}$=4时，反应③、④中CO₂的平衡转化率随温度的变化关系图，根据图示回答下列问题：
①△H₃＞0（填写“＞”、“＜”、“=”）
②低温（高温或低温）有利于提高反应④中二甲醚的产率，请简述理由：较低温度下，反应③的平衡转化率较小而反应④较大，所以低温对反应④有利，二甲醚的产率较高．
③若起始投料量$\frac{{H}_{2}}{C{O}_{2}}$=4，起始温度为298K，反应④在503K时达到平衡，请在答卷上画出CO₂转化率随温度升高的变化曲线．

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律，①×2+②可得目标反应，据此计算出△H₄；
（2）可逆反应达到平衡状态时，正逆反应速率相等，各组分的浓度、百分含量不再变化，据此进行判断；
（3）根据化学平衡常数的概念及该反应方程式写出其表达式；
（4）①根据图象可知，升高温度，二氧化碳的转化率增大，则平衡向着正向移动，据此判断焓变；
②根据反应③为吸热反应、反应④为放热反应分析；
③反应④在503K时达到平衡，则在该温度下二氧化碳的转化率最高，据此画出图象．

解答 解：（1）反应①CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（l）△H₁=-49.01kJ/moL
反应②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（l）△H₂=-24.52kJ/moL，
根据盖斯定律，①×2+②可得：2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃（g）+3H₂O（l）△H₄=（-49.01kJ/moL）×2+（-24.52kJ/moL）=-122.54kJ/mol，
故答案为：-122.54kJ/mol；
（2）反应③CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（l），
A．v正（H₂）=v逆（H₂O），正逆反应速率相等，达到了平衡状态，故A正确；
B．n（CO₂）：n（H₂）：n（CO）：n（H₂O）=1：1：1：1，不能证明各组分的浓度不再变化，无法判断是否达到平衡状态，故B错误；
C．由于反应前后气体质量不相等，在恒容条件下，反应过程中混合气体的密度始终发生变化，所以混合气体的密度不变，证明各组分浓度不再变化，已经达到平衡状态，故C正确；
D．反应前后气体混合气体的平均相对分子质量不变，表面各组分浓度不变，该反应已经达到平衡状态，故D正确；
E．该反应是气体体积缩小的反应，若容器的压强不变，说明正逆反应速率相等，已经达到平衡状态，故E正确；
故答案为：B；
（3）2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O的平衡常数表达式为：K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{c（{C{H}_{3}OH）}^{2}}$，
故答案为：K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）}{c（{C{H}_{3}OH）}^{2}}$；
（4）①根据图象可知，升高温度后反应二氧化碳的转化率增大，说明升高温度平衡向着正向移动，则正反应为吸热反应，所以△H₃＞0，
故答案为：＞；
②由于反应③为吸热反应，反应④为放热反应，所以在较低温度下，反应③的平衡转化率较小而反应④较大，故低温对反应④有利，二甲醚的产率较高，
故答案为：低温；较低温度下，反应③的平衡转化率较小而反应④较大，所以低温对反应④有利，二甲醚的产率较高；
③反应④在503K时达到平衡，则从298K开始，二氧化碳的转化率逐渐增大，当温度达到503K时，二氧化碳的转化率达到最大，当温度大于503K后，二氧化碳的转化率会减小，则CO₂转化率随温度升高的变化曲线为：，
故答案为：．

点评 本题考查较为综合，涉及盖斯定律的应用、化学平衡状态的判断、化学图象的分析等知识，题目难度中等，明确化学平衡及其影响为解答关键，注意掌握盖斯定律的内容及其应用方法，试题培养了学生的分析能力及灵活应用能力．