Question

（15分）二甲醚（DME）和甲醇是21世紀應用最廣泛的兩種清潔燃料，目前工業上均可由合成氣在特定催化劑作用下制得。
（1）由合成氣制備二甲醚的主要原理如下：
已知：①CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)            △H₁＝－90.7 kJ·mol^－1
②2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)＋H₂O(g)     △H₂＝－23.5 kJ·mol^－1
③CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)        △H₃＝－41.2 kJ·mol^－1
則反應3H₂(g)＋3CO(g)CH₃OCH₃(g)＋CO₂(g)的△H＝      kJ·mol^-1。
（2）將合成氣以n(H₂)/n(CO)=2通入1 L的反應器中，一定條件下發生反應：
4H₂(g)+2CO(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)，其中CO的平衡轉化率隨溫度、壓強變化關系如圖所示：

①該反應的平衡常數表達式為       ；P₁、P₂、P₃由大到小的順序為       。
②若反應在P₃和316℃時，起始時n(H₂)/n(CO)=3，則達到平衡時，CO的轉化率     50％（填“大于”、“小于”或“等于”)。
（3）由合成氣合成甲醇的反應的溫度與平衡常數（K）的關系如表數據，


250℃時，將2 molCO和6 molH₂充入2L的密閉容器中發生反應，反應時間與物質濃度的關系如圖所示，則前10分鐘內，氫氣的平均反應速率為     ；若15分鐘時，只改變溫度一個條件，假設在20分鐘時達到新平衡，氫氣的轉化率為33.3%，此時溫度為      （從上表中選），請在圖中畫出15—25分鐘c (CH₃OH)的變化曲線。
（4）利用甲醇液相脫水也可制備二甲醚，原理是：CH₃OH +H₂SO₄→CH₃HSO₄+H₂O，CH₃HSO₄+CH₃OH→CH₃OCH₃+H₂SO₄。與合成氣制備二甲醚比較，該工藝的優點是反應溫度低，轉化率高，其缺點是        。

Answer 1

（1）-246.1；
（2）①K=[CH₃OCH₃][H₂O]/ [H₂]⁴[CO]²； P₁＞P₂＞P₃；②大于；
（3）0.16mol/（L?min）；300℃；；
（4）硫酸是強酸，具有較強的腐蝕性，能腐蝕設備。

試題分析：（1）①CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)            △H₁＝－90.7 kJ·mol^－1
②2CH₃OH(g)CH₃OCH₃(g)＋H₂O(g)     △H₂＝－23.5 kJ·mol^－1
③CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)        △H₃＝－41.2 kJ·mol^－1
根據蓋斯定律，①×2+②+③得3CO（g）+3H₂（g）CH₃OCH₃（g）+CO₂（g）△H=-246.1kJ?mol^-1；（2）①根據反應4H₂(g)+2CO(g)CH₃OCH₃(g)+H₂O(g)知，該反應的平衡常數表達式K=[CH₃OCH₃][H₂O]/ [H₂]⁴[CO]²；該反應正方向為體積減小的方向，增大壓強CO的轉化率增大，結合題給圖像知，P₁＞P₂＞P₃；②若在P₃和316℃時，起始時起始時n(H₂)/n(CO)=3，則增大了氫氣的量，增大氫氣的濃度，平衡正移，CO的轉化率增大，所以CO轉化率大于50%；（3）由題給圖像知，甲醇的濃度變化為0.8mol/L， V（CH₃OH）=△c/△t=0.08mol/（L?min），根據方程式得V（CH₃OH）：V（H₂）=1：2，所以V（H₂）=2×0.08mol/（L?min）=0.16mol/（L?min）；改變溫度，假設在20分鐘時達到新平衡，氫氣的轉化率為33.3%，則氫氣轉化的濃度為△C=3mol/L×33.3%=1mol/L，
2H₂（g）+CO（g）    CH₃OH（g）
起始濃度（1mol/L）   3       1         0
轉化濃度（1mol/L）   1       0.5     0.5
平衡濃度（1mol/L）   2       0.5    0.5
K=0.25，所以該溫度為300℃；由反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₁=-90.7kJ?mol^-1，該反應為吸熱反應，溫度升高平衡向移動，甲醇含量減小，圖象見答案；（4）該反應有硫酸參加，因為硫酸是強酸，具有較強的腐蝕性，能腐蝕設備。