15.中科院大連化學(xué)物理研究所的“煤基甲醇制取低碳烯烴技術(shù)(簡(jiǎn)稱DMTO)”榮獲2014年度國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng).DMTO技術(shù)主要包括煤的氣化、液化、烯烴化三個(gè)階段,相關(guān)反應(yīng)的熱化學(xué)方程式如下:
(i) 煤氣化制合成氣:C(s)+H2O(g)?CO(g)+H2(g)
(ii) 煤液化制甲醇:CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)
(iii)甲醇制取低碳烯烴:2CH3OH(g)?C2H4(g)+2H2O(g)△H=-11.72kJ•mol-1…(a)
                      3CH3OH(g)?C3H6(g)+3H2O(g)△H=-30.98kJ•mol-1…(b)
回答下列問題:
(1)已知:C(s)+CO2(g)═2CO(g)△H=+172.5kJ•mol-1,
    CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2(g)△H=-41.0kJ•mol-1
反應(yīng)(i)能自發(fā)進(jìn)行的條件是高溫(填“高溫”、“低溫”或“任何溫度”).
(2)反應(yīng)(ii)中以氫碳[n(H2):n(CO)]投料比為2制取甲醇,溫度、壓強(qiáng)與CO的平衡轉(zhuǎn)化率關(guān)系如圖1.

①對(duì)于氣體參與的反應(yīng),表示平衡常數(shù)Kp時(shí)用氣體組分(B)的平衡壓強(qiáng)p(B)代替該氣體物質(zhì)的量濃度c(B),則A點(diǎn)時(shí)反應(yīng)(ii)的Kp=0.16(保留兩位有效數(shù)字,分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)).
②比較P1小于P2,Kp(Q)等于Kp(R)(填“大于”、“小于”或“等于”).
③工業(yè)上常以銅基催化劑,壓強(qiáng)5MPa,溫度275℃下發(fā)生反應(yīng)(ii),CO轉(zhuǎn)化率可達(dá)到40%左右.為提高CO轉(zhuǎn)化率除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)外,還可以采取的措施有提高氫碳比、將甲醇液化分離(寫出2個(gè)).
④若反應(yīng)(ii)在恒容密閉容器內(nèi)進(jìn)行,T1溫度下甲醇濃度隨時(shí)間變化曲線如圖2所示;不改變其他條件,假定t2時(shí)刻迅速降溫到T2,t3時(shí)刻體系重新達(dá)到平衡.試在圖中畫出t2時(shí)刻后甲醇濃度隨時(shí)間變化趨勢(shì)圖(在圖2中標(biāo)出t3).
(3)烯烴化階段:在常壓和某催化劑作用下,甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率及乙烯、丙烯等物質(zhì)的選擇性(指除了水蒸氣以外的產(chǎn)物中乙烯、丙烯等物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))與反應(yīng)溫度之間的關(guān)系如圖3.為盡可能多地獲得乙烯,控制反應(yīng)溫度為550℃的理由是550℃時(shí)甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率仍處于較高水平且產(chǎn)物中乙烯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)最大.

分析 (1)通過已知:①C(s)+CO2(g)═2CO(g)△H=+172.5kJ•mol-1,
    ②CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2(g)△H=-41.0kJ•mol-1,
計(jì)算反應(yīng)(i)C(s)+H2O(g)?CO(g)+H2(g)的△H,反應(yīng)(i)△S>0,
根據(jù)△G=△H-T•△S<0反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行分析;
(2)①A點(diǎn)CO的轉(zhuǎn)化率為0.5,利用三段法求出平衡時(shí)各組分的物質(zhì)的量,然后求出各組分的分壓,最后帶入Kp表達(dá)式計(jì)算;
②150℃時(shí),比較Q和R兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CO的轉(zhuǎn)化率的大小,得出平衡移動(dòng)的方向,從而判斷壓強(qiáng)的改變;Kp只受溫度的影響;
③CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H<0,為提高CO轉(zhuǎn)化率除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)外,可考慮濃度對(duì)平衡的影響;
④反應(yīng)(ii)CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H<0,t2時(shí)降低溫度,平衡正向移動(dòng),甲醇的濃度增大,直至t3時(shí)達(dá)到新的平衡時(shí)保持不變;
(3)為盡可能多地獲得乙烯,要綜合考慮甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率和乙烯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù).

解答 解:(1)已知:①C(s)+CO2(g)═2CO(g)△H=+172.5kJ•mol-1,
    ②CO(g)+H2O(g)═CO2(g)+H2(g)△H=-41.0kJ•mol-1
根據(jù)蓋斯定律可知①+②得C(s)+H2O(g)?CO(g)+H2(g)△H=+172.5kJ•mol-1-41.0kJ•mol-1=+131.5kJ•mol-1>0,反應(yīng)(i)△S>0,高溫時(shí)G=△H-T•△S<0反應(yīng)自發(fā),
故答案為:高溫;
(2)①A點(diǎn)CO的轉(zhuǎn)化率為0.5,假設(shè)加入1molCO、2molH2,則
        CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)
初始:1mol    2mol         0
轉(zhuǎn)化:0.5mol  1mol        0.5mol
平衡:0.5mol  1mol        0.5mol
p(CO)=5MPa×$\frac{0.5mol}{0.5mol+1mol+0.5mol}$=0.75MPa,
p(H2)=5MPa×$\frac{1mol}{0.5mol+1mol+0.5mol}$=2.5MPa,
p(CH3OH)=5MPa×$\frac{0.5mol}{0.5mol+1mol+0.5mol}$=0.75MPa,
Kp=$\frac{p(C{H}_{3}OH)}{p(CO)×{p}^{2}({H}_{2})}$=$\frac{0.75}{0.75×2.{5}^{2}}$=0.16,
故答案為:0.16;
②150℃時(shí),Q點(diǎn)比R點(diǎn)對(duì)應(yīng)的CO的轉(zhuǎn)化率大,平衡正向移動(dòng)CO的轉(zhuǎn)化率增大,而壓強(qiáng)增大,CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)的平衡正向移動(dòng),說明P1>P2;Kp只受溫度的影響,Q點(diǎn)和R點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度都是150℃,因此Kp(Q)=Kp(R),
故答案為:小于;等于;
③CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H<0,為提高CO轉(zhuǎn)化率除了可以適當(dāng)改變反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)外,可考慮增大氫氣濃度和減小生成物濃度的方法,使平衡正向移動(dòng),應(yīng)該是提高氫碳比和將甲醇液化分離,
故答案為:提高氫碳比;將甲醇液化分離;
④反應(yīng)(ii)CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)△H<0,t2時(shí)降低溫度,平衡正向移動(dòng),甲醇的濃度增大,直至t3時(shí)達(dá)到新的平衡時(shí)保持不變,對(duì)應(yīng)的圖象為,
故答案為:;
(3)為盡可能多地獲得乙烯,要綜合考慮甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率和乙烯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù),550℃時(shí)甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率仍處于較高水平,而且此溫度下產(chǎn)物中乙烯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)最大,
故答案為:550℃時(shí)甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率仍處于較高水平且產(chǎn)物中乙烯的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)最大.

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)反應(yīng)進(jìn)行的方向和化學(xué)平衡,綜合性較強(qiáng),難度較大,題材背景新,側(cè)重于學(xué)生對(duì)化學(xué)反應(yīng)原理、變通能力的考查.

練習(xí)冊(cè)系列答案
相關(guān)習(xí)題

科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

5.下列離子方程式書寫正確的是( 。
A.鐵與稀鹽酸反應(yīng):2Fe+6H+═2Fe3++3H2
B.硝酸銀溶液中加入鐵粉:Ag++Fe═Fe2++Ag
C.氧化銅與鹽酸反應(yīng):O2-+2H+═H2O
D.碳酸鎂與稀硫酸反應(yīng):MgCO3+2H+═Mg2++H2O+CO2

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

6.欲除去鐵粉中少量的鋁粉,可選用的試劑是( 。
A.B.氫氧化鈉溶液C.稀硫酸D.稀硝酸

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

3.下列說法正確的是(  )
A.用廣泛pH試紙測(cè)得氯水的pH=5.2
B.若H2O2分解產(chǎn)生1molO2,理論上轉(zhuǎn)移的電子數(shù)約為4×6.02×1023
C.在氧化還原反應(yīng)中,還原劑得到電子總數(shù)等于氧化劑失去電子的總數(shù)
D.Mg在CO2中燃燒生成MgO和C.在該反應(yīng)條件下,Mg的還原性強(qiáng)于C的

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

10.下列敘述正確的是( 。
①Na2O與Na2O2都能和水反應(yīng)生成堿,它們都是堿性氧化物
②Na2CO3溶液和NaHCO3溶液都能跟Ca(OH)2溶液反應(yīng)得到白色沉淀
③鈉在常溫下不容易被氧化,加熱下被氧化成白色固體
④Na2O2可作供氧劑,而Na2O不行
⑤Na2CO3溶液和NaHCO3溶液都呈堿性.
A.都正確B.②③④⑤C.②③⑤D.②④⑤

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:多選題

20.中藥狼把草的成分之一M具有消炎殺菌作用,M的結(jié)構(gòu)如圖所示:下列敘述正確的(  )
A.M的分子式是C9H6O4
B.1molM最多能與2molBr2發(fā)生反應(yīng)
C.M與足量的NaOH溶液發(fā)生反應(yīng)時(shí),所得有機(jī)產(chǎn)物的化學(xué)式為C9H4O5Na4
D.1molM與足量NaHCO3反應(yīng)能生成2molCO2

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

7.鈉長(zhǎng)時(shí)間放在空氣中,最后的產(chǎn)物主要成分是( 。
A.Na2OB.NaOHC.Na2CO3D.Na2CO3•10H2O

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:解答題

4.氯氣是一種重要的化工原料.某學(xué)習(xí)小組在實(shí)驗(yàn)室中利用如圖所示裝置制取氯氣并探究其性質(zhì).

(1)實(shí)驗(yàn)室用二氧化錳和濃鹽酸加熱制取氯氣,發(fā)生裝置中除圓底燒瓶和導(dǎo)管外還需用到的玻璃儀器有分液漏斗、酒精燈.
(2)裝置A中盛有的試劑是:飽和食鹽水,作用是:除去氯氣中的氯化氫.
(3)若D中品紅溶液褪色,則B裝置發(fā)生反應(yīng)的離子方程式是:2Fe2++4Br-+3Cl2=2Fe3++6Cl-+2Br2
(4)證明FeBr2與Cl2發(fā)生了(3)中氧化還原反應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法是:實(shí)驗(yàn)后,取少量B中溶液,滴加KSCN溶液,溶液變血紅色;另取少量B中溶液,加入CCl4溶液,振蕩,靜置,下層液體呈橙色 (填操作方法).
某研究性學(xué)習(xí)小組用剛吸收過少量SO2的NaOH溶液吸收處理上述實(shí)驗(yàn)后的尾氣.經(jīng)分析吸收尾氣一段時(shí)間后,吸收液(呈強(qiáng)堿性)中肯定存在Cl-、OH-、CO32-和SO42-,對(duì)于可能存在的其他陰離子,研究小組提出以下3種假設(shè):
假設(shè)1:只存在SO32-; 假設(shè)2:只存在ClO-; 假設(shè)3:既不存在SO32-,也不存在ClO-
(5)學(xué)習(xí)小組判斷同時(shí)存在SO32-和ClO-是不可能的,理由是:SO32-和ClO-發(fā)生氧化還原反應(yīng).
(6)現(xiàn)限選以下試劑,設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,進(jìn)行實(shí)驗(yàn),請(qǐng)寫出實(shí)驗(yàn)步驟以及預(yù)期現(xiàn)象和結(jié)論.
a.3mol•L-1 H2SO4  b.0.01mol•L-1 KMnO4 c.1mol•L-1 BaCl2溶液 d.淀粉碘化鉀溶液 e.酚酞試液
步驟一:取少量吸收液于試管中,滴加3mol•L-1 H2SO4至溶液呈中性,然后將所得溶液分裝于A、B兩試管中.
步驟二:向A試管中滴加少量b (填序號(hào)),若溶液褪色(填現(xiàn)象),則假設(shè)1成立.
步驟三:向B試管中滴加少量d (填序號(hào)),若溶液變藍(lán)色(填現(xiàn)象),則假設(shè)2成立.

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科目:高中化學(xué) 來源: 題型:選擇題

5.下列說法正確的是( 。
A.在101kPa下氫氣的燃燒熱△H=-285.5kJ•mol-1,則水分解的熱化學(xué)方程式:2H2O(l)=2H2(g)+O2(g)△H=+285.5 kJ•mol-1
B.pH=3和pH=5的鹽酸各10mL混合,所得溶液的pH=4
C.一定溫度下,1L0.50mol/LNH4Cl溶液與2L0.25NH4Cl溶液含NH4+物質(zhì)的是不同
D.吸熱反應(yīng)“TiO2(g)+2Cl2(g)=TiCl4(g)+O2(g)”在一定條件下可自發(fā)進(jìn)行,則該反應(yīng)的△S<0

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