Question

4．天然氣是一種重要的清潔能源和化工原料，其主要成分為甲烷．
（1）工業(yè)上可用煤制天然氣，生產(chǎn)過(guò)程中有多種途徑生成CH₄．
已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
則CO與H₂反應(yīng)生成CH₄（g）和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式為CO （g）+3H₂（g）═CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1．
（2）天然氣中的H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并再生出吸收液，則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）天然氣的一個(gè)重要用途是制取H₂，其原理為：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．在密閉容器中通入物質(zhì)的量濃度均為0.1mol•L^-1的CH₄與CO₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，測(cè)得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示，則壓強(qiáng)P₁＜P₂（填“＞”或“＜”）；壓強(qiáng)為P₂時(shí)，在Y點(diǎn)：v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）；寫出X點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度下的該反應(yīng)的平衡常數(shù)計(jì)算式K=$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$（不必計(jì)算出結(jié)果）．

（4）以二氧化鈦表面覆蓋CuAl₂O₄為催化劑，可以將CH₄和CO₂直接轉(zhuǎn)化成乙酸．
①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖2所示．在275～400℃之間，乙酸的生成速率先降低后升高的原因是溫度在275^°C升至300^°C時(shí)，達(dá)平衡后催化劑催化效率降低的因素超過(guò)了溫度升高使速率增大的因素，所以乙酸生成速率降低；當(dāng)溫度由300^o升至400^oC時(shí)，溫度升高使反應(yīng)速率增大的因素超過(guò)了催化劑催化效率降低的因素，所以乙酸的生成速率又增大．
②為了提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是增大反應(yīng)壓強(qiáng)或增大CO₂的濃度（寫一條）．
③乙酸（用HAc表示）電離方程式為HAc?H⁺+Ac^-，電離常數(shù)用K_a表示；乙酸根的水解方程式為Ac^-+H₂O?OH^-+HAc，水解常數(shù)用K_h表示，則K_h=$\frac{Kw}{Ka}$（用K_a和水的離子積K_W表示）．

Answer 1

分析 （1）①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算，②+③-①得到CO與H₂反應(yīng)生成CH₄（g）和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)元素守恒和電子得失守恒寫出化學(xué)方程式；
（3）溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小；
Y點(diǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率小于同溫同壓下平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率，故Y點(diǎn)向正反應(yīng)進(jìn)行建立平衡；
溫度為1100℃，壓強(qiáng)為P₂時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，則平衡時(shí)甲烷濃度變化量為0.1mol•L^-1×70%=0.1mol，計(jì)算平衡時(shí)各組分濃度，代入K=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
（4）①由圖可知，溫度超過(guò)275～300℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低；300～400℃時(shí)溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快；
②提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，改變條件應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，注意不能只增大甲烷的濃度，否則甲烷的轉(zhuǎn)化率降低；
③寫出醋酸電離平衡常數(shù)、醋酸根離子水解平衡常數(shù)，水的離子積常數(shù)進(jìn)行比較，從而得出結(jié)論．

解答 解：（1）（1）①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算，②+③-①得到CO與H₂反應(yīng)生成CH₄（g）和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式為：CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
故答案為：CO （g）+3H₂（g）═CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
（2）根據(jù)元素守恒及題中的反應(yīng)物和生成物可知化學(xué)方程式為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓，
故答案為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，故壓強(qiáng)P₁＜P₂；Y點(diǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率小于同溫同壓下平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率，故Y點(diǎn)向正反應(yīng)進(jìn)行建立平衡，則v（正）＞v（逆）；溫度為1100℃，壓強(qiáng)為P₂時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，則平衡時(shí)甲烷濃度變化量為0.1mol•L^-1×80%=0.08mol，則：
          CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），
開(kāi)始  0.1              0.1               0                0
轉(zhuǎn)化 0.08           0.08             0.16            0.16
平衡 0.02           0.02             0.16            0.16
故平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$=$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$
故答案為：＜；＞；$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$；
（4）①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖2所示．在275～400℃之間，乙酸的生成速率先降低后升高的原因是：溫度在275^°C升至300^°C時(shí)，達(dá)平衡后催化劑催化效率降低的因素超過(guò)了溫度升高使速率增大的因素，所以乙酸生成速率降低；當(dāng)溫度由300^o升至400^oC時(shí)，溫度升高使反應(yīng)速率增大的因素超過(guò)了催化劑催化效率降低的因素，所以乙酸的生成速率又增大，
故答案為：溫度在275^°C升至300^°C時(shí)，達(dá)平衡后催化劑催化效率降低的因素超過(guò)了溫度升高使速率增大的因素，所以乙酸生成速率降低；當(dāng)溫度由300^o升至400^oC時(shí)，溫度升高使反應(yīng)速率增大的因素超過(guò)了催化劑催化效率降低的因素，所以乙酸的生成速率又增大；
②提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，改變條件應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，縮小容器體積增大壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：增大反應(yīng)壓強(qiáng)或增大CO₂的濃度；
③電離方程式為HAc?H⁺+Ac^-，電離常數(shù)用Ka=$\frac{c（A{c}^{-}）c（{H}^{+}）}{c（HAc）}$，乙酸根的水解方程式為Ac^-+H₂O?OH^-+HAc，水解常數(shù)用K_h=$\frac{c（HAc）c（O{H}^{-}）}{c（A{c}^{-}）}$，Kw=c（H⁺）．c（OH^-），${K_h}=\frac{{c（O{H^-}）•c（HAc）}}{{c（A{c^-}）•c（{H_2}O）}}=\frac{{c（O{H^-}）•c（HAc）}}{{c（A{c^-}）•c（{H_2}O）}}•\frac{{c（{H^+}）}}{{c（{H^+}）}}=\frac{{c（O{H^-}）•c（{H^+}）}}{{c（{H_2}O）}}•\frac{c（HAc）}{{c（A{c^-}）•c（{H^+}）}}=\frac{K_W}{K_a}$，
故答案為：$\frac{Kw}{Ka}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、方程式的書寫、化學(xué)平衡常數(shù)、平衡移動(dòng)等，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，題目難度中等．