Question

近年來，我國部分地區(qū)多次陷入嚴重霧霾之中，其中一個重要的原因是我國的能源消費結構以燃煤為主，改變煤的利用方式可減少環(huán)境污染．以下是對煤進行處理的方法：
（1）將水蒸氣通過紅熱的碳即可產(chǎn)生水煤氣，其反應為C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g）△H=+131.3kJ?mol^-1，
①該反應在

 

下能自發(fā)進行（填“高溫”或“低溫”）；
②煤氣化過程中產(chǎn)生的有害氣體H₂S可用足量的Na₂CO₃溶液吸收，該反應的離子方程式為

 

．（已知：H₂S K_a1=9.1×10^-8；K_a2=1.1×10^-12  H₂CO₃ K_a1=4.30×10^-7；K_a2=5.61×10^-11）
（2）利用水煤氣作為合成氣，在同一個容器中，選擇雙催化劑，經(jīng)過如下三步反應，最終合成二甲醚，此工藝稱之為“一步法”合成二甲醚．

反應過程	化學方程式	△H（kJ?mol-1）
甲醇合成反應	2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g）	-90.8
水煤氣變換反應	CO（g）+H2O（g）═CO2（g）+H2（g）	-41.3
甲醇脫水反應	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該反應在一定條件下的密閉容器中達到平衡后，為同時提高化學反應速率和二甲醚的產(chǎn)率，可以采取的措施是

 

 （填字母代號）．
a．降低溫度           b．縮小容器體積          c．加入催化劑
d．增加H₂的濃度      e．分離出二甲醚
（3）控制反應條件，水煤氣作為合成氣也可以用來合成甲醇．在相同條件下合成二甲醚和合成甲醇的原料轉化率隨氫碳比的變化如圖所示：

①合成二甲醚的最佳H₂/CO比為

 

．對于氣相反應，用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），寫出“一步法”合成二甲醚的K_P=

 

，提高H₂/CO比，則K_P

 

（填“變大”、“變小”或“不變”）
②以水煤氣作為原料氣，在相同條件下一步法合成二甲醚的轉化率為什么明顯高于合成甲醇的轉化率

 

．

Answer 1

分析：（1）①根據(jù)△G=△H-T△S判斷，△G＜0，反應自發(fā)進行；
②根據(jù)碳酸和氫硫酸的兩步電離平衡常數(shù)進行比較氫硫酸與碳酸、碳酸氫根離子離子酸性大小，從而得出反應產(chǎn)物，寫出反應的離子方程式；
（2）①根據(jù)題中熱化學方程式及蓋斯定律計算出反應3H₂（g）+3CO（g）=CH₃OCH₃（g）+CO₂ 的焓變；
②根據(jù)影響化學反應速率因素、影響二甲醚產(chǎn)率因素進行判斷；
（3）①根據(jù)圖象可知，H₂/CO之比為1時，氫氣和一氧化碳的轉化率最大；將化學平衡常數(shù)中的濃度c換成壓強P就可以得到K_P；溫度不變，化學平衡常數(shù)不變；
②根據(jù)一步法合成二甲醚的過程中，甲醇的脫水反應消耗甲醇、水煤氣變換反應產(chǎn)生氫氣對合成二甲醚的影響分析．

解答：解：（1）①由熱化學反應方程式可知，該反應為焓增、熵增過程，即△H＞0、△S＞0，必須滿足△G=△H-T△S＜0反應才能自發(fā)進行，所以在高溫下能夠自發(fā)進行，
故答案為：高溫；          
 ②由于K_a2=5.61×10^-11＜K_a1=9.1×10^-8＜K_a1=4.30×10^-7、K_a2=5.61×10^-11＞K_a2=1.1×10^-12，所以氫硫酸能夠與碳酸鈉溶液反應生成碳酸氫鈉和硫氫化鈉，反應的離子方程式為：CO₃^2-+H₂S=HCO₃^-+HS^-，
故答案為：CO₃^2-+H₂S=HCO₃^-+HS^-；
（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
由蓋斯定律②+③+①×2可得：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.4 kJ?mol^-1，
故答案為：-246.4 kJ?mol^-1；
②一定條件下的密閉容器中，該總反應達到平衡，反應是放熱反應，反應前后氣體體積減小的反應，提高化學反應速率和二甲醚的產(chǎn)率，平衡應該向著正向進行，
a、降低溫度，正逆反應速率都減小，不滿足要求，故a錯誤；
b、縮小容器體積，壓強增大，平衡向著正向移動，反應速率和二甲醚產(chǎn)率都增大，故b正確；          
c、加入催化劑，改變反應速率不改變化學平衡，二甲醚產(chǎn)率不變，故b錯誤；       
d、增加氫氣濃度，反應速率增大，平衡向著正向移動，二甲醚的產(chǎn)率增大，故d正確；
e．分離出二甲醚（CH₃OCH₃），平衡正向進行，但是反應速率減小，故e錯誤；
故選bd；
（3）①由題中數(shù)據(jù)可知，當氫氣與一氧化碳的物質的量之比為1時，氫氣和一氧化碳的轉化率最高，所以合成二甲醚的最佳H₂/CO比為1；用某組分（B）的平衡壓強（P_B）代替物質的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），則“一步法”合成二甲醚的K_P=

P(CH3OCH3)?P(CO2)

P3(H2)P3(CO)

；由于溫度不變，化學平衡常數(shù)K_P不變，
故答案為：1；

P(CH3OCH3)?P(CO2)

P3(H2)P3(CO)

；不變；
②由于一步法合成二甲醚的過程中，甲醇的脫水反應消耗甲醇，水煤氣變換反應產(chǎn)生氫氣都有利于甲醇合成反應向正向進行，提高了原料氣的轉化率，所以以水煤氣作為原料氣，在相同條件下一步法合成二甲醚的轉化率明顯高于合成甲醇的轉化率，
故答案為：一步法合成二甲醚的過程中，甲醇的脫水反應消耗甲醇，水煤氣變換反應產(chǎn)生氫氣都有利于向著甲醇合成反應向正向進行，提高了原料氣的轉化率．

點評：本題考查了熱化學方程式的書寫方法和蓋斯定律的計算應用、化學平衡的影響因素、反應熱與焓變等知識，題目難度較大，注意掌握化學平衡的影響因素、明確平衡常數(shù)隨溫度變化，能夠利用蓋斯定律和熱化學方程式計算反應熱．