Question

16．二甲酯具有优良的燃烧性能，本成为21世纪的“清洁能源”，以下为其中一种合成二甲酯的方法：在一定温度、压强和催化剂作用下，在同一反应器中进行如下反应：
①CO₂（g）+3H₂（g　）?CH₃OH（g）+H₂O（g）；△H₁=-49.1　kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）；△H₂=-24.5　kJ•mol^-1
③CO₂（g）+H₂?CO（M）+H₂（g）；△H₃=+41.2　　kJ•mol^-1
（1）写出CO₂（g）加H₂（g）转化为CH₃OCH₃（g） 和H₂O（g）的热化学方程式2CO₂（g）+6H₂（g　）?CH₃OCH₃ （g）+3H₂O（g）△H=-122.7 kJ•mol^-1
（2）一定条件下，原料气中n（H₂）/n（CO₂）比值和温度对CO₂转化率影响的实验数据如图1
①温度为T₁K时，在1L反应容器中投入2molCO₂和8molH₂进行反应．试计算达到平衡时CO₂的浓度为1mol/L
②结合数据图，归纳CO2平衡转化率受外界条件影响的变化规律；
a其他条件不变，达平衡时CO₂的转化率随温度升高而减小
b其他条件不变，达平衡时CO₂的转化率随n（H₂）/n（CO₂）比值增大而增大
（3）为研究初始投料比与二甲酯产率关系，在一定温度和压强下，投入一定物质的量的H2、CO、CO2进行试验，实验发现二甲酯的平衡产率随原料气中n（CO）/{n（CO）+n（CO₂）}比值随增大而增大．试分析其原因随着CO的含量增大，反应③平衡将向逆方向移动，既消耗大量的水，又增大了CO₂和氢气的含量，从而促使反应①和②的平衡都向正向移动，则二甲醚产率增大
（4）如图2是科学家现在研发的，以实现反应①在常温常压下进行的装置，写出甲槽的电极反应CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O

Answer 1

分析 （1）根据盖斯定律由已知的热化学方程式乘以相应的数值进行加减，来构造目标热化学方程式，反应热也乘以相应的数值进行加减；
（2）①根据图1可知，温度为T₁K时，在1L反应容器中投入2molCO₂和8molH₂进行反应即n（H₂）/n（CO₂）比值=4时，达平衡时CO₂的转化率为50%，据此计算；
②根据图1，当n（H₂）/n（CO₂）比值固定时，随着温度升高，达平衡时CO₂的转化率在减小；作一与横坐标垂直的等温线，可以看出其他条件不变，达平衡时CO₂的转化率随n（H₂）/n（CO₂）比值增大而增大；
（3）随原料气中n（CO）/{n（CO）+n（CO₂）}比值的增大，即CO的含量增大，反应③平衡将向逆方向移动，既消耗大量的水，又增大了CO₂和氢气的含量，从而促使反应①向正反应方向移动，这又增大了CH₃OH的含量，又促使②的平衡向正向移动，则二甲醚产率增大，据此分析；
（4）根据图2，甲槽为CO₂得电子发生还原反应生成CH₃OH，据此书写反应式．

解答 解：（1）已知反应：①CO₂（g）+3H₂（g　）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₁=-49.1　kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-24.5　kJ•mol^-1
根据盖斯定律：①×2+②即得到目标方程式，所以CO₂（g）加H₂（g）转化为CH₃OCH₃（g） 和H₂O（g）的热化学方程式2CO₂（g）+6H₂（g）?CH₃OCH₃ （g）+3H₂O（g）△H=（-49.1×2-24.5）kJ•mol^-1=-122.7 kJ•mol^-1，
故答案为：2CO₂（g）+6H₂（g　）?CH₃OCH₃ （g）+3H₂O（g）△H=-122.7 kJ•mol^-1；
（2）①由图1可知，温度为T₁K时，在1L反应容器中投入2molCO₂和8molH₂进行反应即n（H₂）/n（CO₂）比值=4时，达平衡时CO₂的转化率为50%，所以平衡时CO₂的浓度为$\frac{2mol×（1-50%）}{1L}$=1mol/L，故答案为：1mol/L；
②根据图1，当n（H₂）/n（CO₂）比值固定时，随着温度升高，达平衡时CO₂的转化率在减小；作一与横坐标垂直的等温线，可以看出其他条件不变，达平衡时CO₂的转化率随n（H₂）/n（CO₂）比值增大而增大；故答案为：其他条件不变，达平衡时CO₂的转化率随温度升高而减小；其他条件不变，达平衡时CO₂的转化率随n（H₂）/n（CO₂）比值增大而增大；
（3）随原料气中n（CO）/{n（CO）+n（CO₂）}比值的增大，即CO的含量增大，反应③平衡将向逆方向移动，既消耗大量的水，又增大了CO₂和氢气的含量，从而促使反应①向正反应方向移动，这又增大了CH₃OH的含量，又促使②的平衡向正向移动，则二甲醚产率增大，故答案为：随着CO的含量增大，反应③平衡将向逆方向移动，既消耗大量的水，又增大了CO₂和氢气的含量，从而促使反应①和②的平衡都向正向移动，则二甲醚产率增大；
（4）根据图2，甲槽为CO₂得电子发生还原反应生成CH₃OH，反应式为CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O，故答案为：CO₂+6e^-+6H⁺═CH₃OH+H₂O．

点评 本题考查的知识点较多，题目综合性较强，难度较大，主要考查了盖斯定律的应用、化学平衡的有关计算、图表信息的提取与应用等，在书写电池的电极方程式时要注意电解质对反应的影响．