Question

【題目】一種通過鐵基氧載體（Fe3O4/FeO）深度還原和再生來合成二甲醚（CH3OCH3）的原理如下圖：

(1)二甲醚的合成反應：3CO(g)+3H2(g) CH3OCH3(g)+CO2(g) ΔH1

①已知CO、H2與CH3OCH的燃燒熱(ΔH)分別為a kJ·mol-1、b kJ·mol-1、c kJ·mol-1、(a、b、c均小于0)，則ΔH1=________kJ·mol-1。

②該反應選用CuO/ZnO/Al2O3復合催化劑，該催化劑能_______（填標號）。

A.促進平衡正向移動 B.提高反應速率

C.降低反應的活化能 D.改變反應的焓變

(2)CH4氧化器中發生的主反應：

ⅰ. CH4(g)+Fe3O4(s)CO(g)+2H2(g)+3Fe(s)

ⅱ. CH4(g)+4Fe3O4(s)CO2(g)+2H2O(g)+12FeO(s)

850℃時，壓強和部分氣體體積分數、固相各組分質量分數的關系如下圖。

①隨著壓強的增大，反應ⅰ的平衡常數K值________（填“增大”、“減小”、 或“不變”）

②結合圖像，分析H2O的體積分數變化的原因_________（用化學方程式表示）

(3)將一定量的FeO和CO2置于CO2還原器（體積不變的密閉容器）中，發生的主反應：

CO2(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+ CO (g) ΔH2

保持其他條件不變，測得不同溫度下最終反應體系中CO、CO2體積分數如下表：

溫度I/℃	100	170	200	300	400	500
CO2體積分數	0.67	0.67	0.75	0.82	0.9	0.92
CO體積分數	0.33	0.33	0.25	0.18	0.1	0.08

①ΔH2_______0（填“>”或“<”）。

②若在150℃時進行上述轉化，理論轉化率ɑ(FeO)=___________。

③在上述反應體系中，一定可以說明該反應達到平衡狀態的是______（填標號）。

A.體系的壓強不變 B.CO2的物質的量不變

C.CO的生成速率和消耗速率相等且不等于零 D.氣體的平均摩爾質量不變

④根據化學反應原理，分析CO2還原器溫度設置在170℃的原因___________。

Answer 1

【答案】 （3a+3b-c） BC 不變 Fe3O4+H23FeO+H2O < 100% C 溫度過高，CO2的轉化率低；溫度過低，反應速率比較慢

【解析】(1)二甲醚的合成反應：3CO(g)+3H2(g) CH3OCH3(g)+CO2(g) ΔH1

①已知：②CO(g)+ O2(g)=CO2(g) ΔH2=a kJ·mol-1，③H2(g)+ O2(g)=H2O(l) ΔH3=b kJ·mol-1， ④CH3OCH3(g)+3O2(g)=3H2O(l) +2CO2(g) ΔH4=c kJ·mol-1，根據蓋斯定律可知，②×3+③×3-④可得3CO(g)+3H2(g) CH3OCH3(g)+CO2(g) ，則ΔH1=（3a+3b-c）kJ·mol-1；

②催化劑能降低反應所需要的活化能，不影響焓變，同等程度加快正逆反應速率，平衡不移動，故答案為BC；

（2）①反應方程式的系數確定后，平衡常數只與溫度有關，溫度不變，平衡常數不變，故改變壓強，K值不變；

②結合圖像可以看出H2O的體積分數變大的同時H2的體積分數在減小，所以發生的反應是Fe3O4+H23FeO+H2O ；

（3）①根據表中數據可以看出，隨著溫度的升高，CO2的體積分數變大，CO的體積分數變小，說明平衡逆向移動，而溫度升高，平衡朝吸熱方向移動，說明逆向是吸熱的，那么正向是放熱的，即ΔH2＜0；

②由圖表可以看出溫度從100℃上升到170℃，CO2和CO的體積分數都沒變，說明這個區域內雖然溫度變化，但是平衡沒有移動，理論上已經全部轉化了，所以理論值是100%；

③反應CO2(g)+3FeO(s)Fe3O4(s)+ CO (g)是前后體積不變的反應，所以壓強不變不能判斷是否達到平衡，A錯誤；由第②問可以看出溫度從100℃上升到170℃，已經完全轉化了，此時CO2和CO的體積分數都沒變，但是此時不算平衡狀態，所以B和D錯誤；只有C是根據化學平衡的定義描述的，即平衡時正逆反應速率相等且不0，故C正確，答案為C。

④溫度選擇170℃從平衡的角度分析，是因為溫度過高，CO2的轉化率會變低，而從速率的角度分析，溫度過低又會使反應速率變慢，則應選擇一個合適的溫度。