Question

15．以天然氣為原料合成甲醇常見的方法有水煤氣和目前正在開發(fā)的直接氧化法
（I）有關(guān)熱化學方程式如下：
水煤氣法：
CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1；
直接氧化法：
2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g）△H₃=-251kJ•mol^-1．
（2）工業(yè)廢氣二氧化碳催化加氫也可合成甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），△H．在密閉容器中投入1molCO₂和2.75mol H₂在不同條件下發(fā)生反應，實驗測得平衡時甲醇的物質(zhì)的量隨溫度、壓強的變化如圖所示．
①二氧化碳合成甲醇正反應的△H＜（填“＞”“＜”或“=”，下同）．
②M、N兩點時化學反應速率：v（N）＜v（M）．
③為提高CO₂的轉(zhuǎn)化率除可改變溫度和壓強外，還可采取的措施是增大氫碳比
④圖中M點時，容器體積為10L，則N點對應的平衡常數(shù)K=1.04（填數(shù)值，保留2位小數(shù)）．
（3）一定條件下，向容積不變的某密閉容器中加入a molCO₂和b mol H₂發(fā)生反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），欲使整個反應過程中CO₂的體積分數(shù)為恒定值，則a與b的關(guān)系是a=b．

Answer 1

分析 （1）①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1；
①×2+2×②得到2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g），根據(jù)蓋斯定律來計算焓變即可；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高，CH₃OH的物質(zhì)的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動；
②正反應為氣體體積減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質(zhì)的量增大，結(jié)合圖可知，P₁＞P₂，根據(jù)壓強對反應速率的影響答題；
③在可逆反應中，增加一種反應物濃度可以提高另一反應物的轉(zhuǎn)化率；
④圖中M點時，容器體積為10L，結(jié)合M點的坐標可知，M點的CH₃OH的物質(zhì)的量為0.25mol，
       根據(jù)反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L） 0.1      0.275      0         0
轉(zhuǎn)化（mol/L）0.025     0.075     0.025     0.025  
平衡（mol/L） 0.075    0.2       0.025     0.025
根據(jù)K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{3}（{H}_{2}）•c（C{O}_{2}）}$計算；
（3）設轉(zhuǎn)化的二氧化碳的物質(zhì)的量為x，
根據(jù)反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
起始    a         b         0       0
轉(zhuǎn)化    x        3x        x        x  
平衡  a-x        b-3x      x        x
則CO₂的體積分數(shù)為$\frac{a-x}{a-x+b-3x+x+x}$=$\frac{a-x}{a+b-2x}$，據(jù)此討論．

解答 解：（1））①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90.1kJ•mol^-1；
①×2+2×②得到2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g），所以△H=2（-35.4kJ•mol^-1）+2（-90.1kJ•mol^-1）=-251kJ•mol^-1，故答案為：-251；
（2）①由圖可知，壓強一定時，溫度越高，CH₃OH的物質(zhì)的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應，△H＜0，
故答案為：＜；
②正反應為氣體體積減小的反應，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應方向移動，甲醇的物質(zhì)的量增大，故壓強P₁＞P₂，壓強增大，反應速率也增大，所以v（N）＜v（M），
故答案為：＜；
③在可逆反應中，增加一種反應物濃度可以提高另一反應物的轉(zhuǎn)化率，所以為提高CO₂的轉(zhuǎn)化率除可改變溫度和壓強外，還可采取的措施是增大氫氣物質(zhì)的量比二氧化碳物質(zhì)的量的值，故答案為：增大氫碳比；
④圖中M點時，容器體積為10L，結(jié)合M點的坐標可知，M點的CH₃OH的物質(zhì)的量為0.25mol，
       根據(jù)反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L） 0.1      0.275      0         0
轉(zhuǎn)化（mol/L）0.025     0.075     0.025     0.025  
平衡（mol/L） 0.075    0.2       0.025     0.025
K=$\frac{c（{H}_{2}O）•c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{3}（{H}_{2}）•c（C{O}_{2}）}$=$\frac{0.025×0.025}{0．{2}^{3}×0.075}$=1.04，
故答案為：1.04；
（3）設轉(zhuǎn)化的二氧化碳的物質(zhì)的量為x，
根據(jù)反應CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
起始    a         b         0       0
轉(zhuǎn)化    x        3x        x        x  
平衡  a-x        b-3x      x        x
則CO₂的體積分數(shù)為$\frac{a-x}{a-x+b-3x+x+x}$=$\frac{a-x}{a+b-2x}$，要使$\frac{a-x}{a+b-2x}$為恒定的值，則a=b，
故答案為：a=b．

點評 本題屬于拼合型題目，涉及原電池、反應熱計算、化學平衡常數(shù)、化學平衡影響因素、有機物推斷等，是對學生綜合能力的考查，需要學生具備扎實的基礎，難度中等．