Question

5．二甲醚（CH₃OCH₃）是一種重要的清潔燃料，也可替代氟利昂作制冷劑等，對臭氧層無破壞作用．工業(yè)上以CO和H₂為原料生產二甲醚CH₃OCH₃的新工藝主要發(fā)生三個反應：
①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-Q₁ kJ•mol^-1
②2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）△H₂=-Q₂ kJ•mol^-1
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₃=-Q₃ kJ•mol^-1
回答下列問題：
（1）新工藝的總反應3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）的熱化學方程式為3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-（2Q₁+Q₂+Q₃）kJ/mol．
（2）工業(yè)上一般在恒容密閉容器中采用下列反應合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H．下表所列數(shù)據(jù)是該反應在不同溫度下的化學平衡常數(shù)（Κ）．

溫度	250℃	300℃	350℃
K	2.041	0.270	0.012

①由表中數(shù)據(jù)判斷△H＜0 （填“＞”、“=”或“＜”）．能夠說明某溫度下該反應是平衡狀態(tài)的是A、C．
A．體系的壓強不變                   
B．密度不變
C．混合氣體的相對分子質量不變       
D．c（CO）=c（CH₃OH）
②某溫度下，將 2mol CO和 6mol H₂ 充入2L的密閉容器中，充分反應 10min后，達到平衡時測得c（CO）=0.2mol/L，計算此溫度下的平衡常數(shù)K=2.04．

（3）工業(yè)生產是把水煤氣中的混合氣體經過處理后獲得的較純H₂用于合成氨．合成氨反應原理為：N₂（g）+3H₂（g）$?_{催化劑}^{高溫高壓}$ 2NH₃（g）△H=-92.4kJ•mol^-1．實驗室模擬化工生產，在恒容密閉容器中充入一定量N₂和H₂后，分別在不同實驗條件下反應，N₂濃度隨時間變化如圖1．請回答下列問題：
①與實驗Ⅰ比較，實驗Ⅱ改變的條件為加入催化劑．
②在實驗Ⅲ中改變條件為采用比實驗Ⅰ更高的溫度，請在圖2中畫出實驗Ⅰ和實驗Ⅲ中c（NH₃）隨時間變化的示意圖．

Answer 1

分析 （1）反應3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）可以看作題中①×2+②+③得到，根據(jù)蓋斯定律可寫出熱化學方程式；
（2）①根據(jù)溫度對平衡常數(shù)的影響判斷反應的熱效應，根據(jù)平衡狀態(tài)的特征判斷平衡狀態(tài)；
②根據(jù)平衡常數(shù)等于生成濃度系數(shù)次冪之積除以反應濃度系數(shù)次冪之積，結合反應中各物質平衡濃度可計算平衡常數(shù)；
（3）①根據(jù)圖象可知，實驗Ⅱ與實驗Ⅰ相比，反應達到平衡的時間變短，平衡不移動，據(jù)此判斷；
②合成氨反應為放熱反應，升高溫度平衡逆向移動，平衡時氨氣濃度減小，但反應速率變快，所以達到平衡的時間變短，據(jù)此可畫出圖象．

解答 解：（1）根據(jù)蓋斯定律，①×2+②+③，整理可得：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-（2Q₁+Q₂+Q₃） kJ/mol，
故答案為：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-（2Q₁+Q₂+Q₃）kJ/mol；
（2）①升高溫度，化學平衡常數(shù)減小，說明升高溫度，平衡逆向移動，逆反應方向是吸熱反應，所以該反應的正反應是放熱反應，所以△H＜0；
A．由于該反應是反應前后氣體體積不等的反應，若未達到平衡，則體系的壓強就會發(fā)生改變，所以體系的壓強不變，則反應達到平衡狀態(tài)，正確；
B．密度不變由于反應混合物都是氣體，所以在任何時刻物質的密度都不發(fā)生變化，因此不能作為判斷平衡的標志，錯誤；
C．由于該反應是反應前后氣體體積不等的反應，若未達到平衡，則體系的氣體的物質的量就會發(fā)生變化，氣體的相對分子質量就會改變，若氣體的相對分子質量不變，則反應達到平衡狀態(tài)，正確；
D．c（CO）=c（CH₃OH）時反映可能處于平衡狀態(tài)，也可能未達到平衡，因此不能作為判斷平衡的標志，錯誤；
故答案為：＜； A、C；
②某溫度下，在反應開始是c（CO）=1.0mol/L，c（H₂）=3.0mol/L，將 2mol CO和 6mol H₂，充分反應 10min后，達到平衡時測得c（CO）=0.2mol/L，則平衡時c（H₂）=1.4mol/L，c（CH₃OH）=0.8mol/L，則此溫度下的平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）•c{\;}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.8}{0.2×1．{4}^{2}}$=2.04，
故答案為：2.04；
（3）①根據(jù)圖象可知：與實驗Ⅰ比較，實驗Ⅱ反應速率大大加快，達到平衡所需要的時間縮短，但是N₂平衡濃度沒有改變，因此平衡未發(fā)生移動，則改變的條件為加入催化劑，
故答案為：加入催化劑；
②在實驗Ⅲ中改變條件為采用比實驗Ⅰ更高的溫度，由于升高溫度化學反應速率加快，達到平衡所需要的時間縮短，但是由于該反應是放熱反應，升高溫度，平衡向吸熱的逆反應方向移動，因此達到平衡時NH₃的含量降低，用圖象表示實驗I和實驗Ⅲ中NH₃濃度隨時間變化的示意圖是，
故答案為：．

點評 本題主要考查熱化學方程式的書寫、反應熱效應的判斷、平衡狀態(tài)的判斷、催化劑、溫度對平衡移動的影響的圖象法表示、化學平衡常數(shù)的計算的知識，中等難度，答題時注意對平衡常數(shù)的理解和平衡移動原理的靈活運用．