Question

4．在2014年國家科學技術獎勵大會上，甲醇制取低碳烯烴技術（DMTO）獲國家技術發(fā)明獎一等獎．DMTO主要包括煤的氣化、液化、烯烴化三個階段．
（1）煤的氣化：用化學方程式表示出煤的氣化的主要反應C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂：
（2）煤的液化：下表中有些反應是煤液化過程中的反應：

熱化學方程式	平衡常數
	500℃	700℃
①2H2（g）+CO（g）?CH3OH（g）△H1=a kJ•mol-1	2.5	0.2
②H2（g）+CO2（g）?H2O（g）+CO（g）△H2=b kJ•mol-1	1.0	2.3
③3H2（g）+CO2 （g）?CH3OH（g）+H2O（g）△H3=c kJ•mol-1	K3	4.6

①a＜0（填“＞”、“＜”、“=”），c與a、b之間的定量關系為c=a+b．
②K₃=2.5，若反應③是在容積為2L的密閉容器巾進行（500℃）的，測得某一時刻體系內H₂、CO₂、CH₃OH、H₂O物質的量分別為6mol、2mol、10mol、10mol，則此時CH₃OH的生成速率＞（填“＞”、“＜”、“=”） CH₃OH的消耗速率．
（3）烯烴化階段：如圖l是某工廠烯烴化階段產物中乙烯、丙烯的選擇性與溫度、壓強之間的關系（選擇性：指生成某物質的百分比，圖中I、Ⅱ表示乙烯，Ⅲ表示丙烯）．

①盡可能多地獲得乙烯，控制的生產條件為530℃，0.1Mpa．
②一定溫度下某密閉容器中存在反應，2CH₃OH（g）?CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g）△H＞0．在壓強為P₁時，產物水的物質的量與時間的關系如圖2所示，若t₀ 時刻，測得甲醇的體積分數為10%，此時甲醇乙烯化的轉化率為85.7%（保留三位有效數字），若在t₁ 時刻將容器容積快速擴大到原來的2倍，請在圖中繪制出此變化發(fā)生后至反應達到新平衡時水的物質的量與時間的關系圖．

Answer 1

分析 （1）煤的汽化是利用煤與水蒸氣反應得到CO與氫氣；
（2）①．溫度越高平衡常數越小，說明升高溫度平衡逆向移動，正反應為放熱反應；
反應③=反應①+反應②，則③的焓變=①的焓變+②的焓變；
②．反應③=反應①+反應②，則③的平衡常數=①與②的平衡常數的乘積；
計算此時濃度商Qc，若Qc=K，處于平衡狀態(tài)，若Qc＜K，反應向正反應進行，若Qc＞K，反應向逆反應進行，進而判斷正逆反應速率相對大小；
（3）①應根據乙烯的百分比越大、丙烯的百分比越小選擇；
②t₀時刻，n（H₂O）=3.6mol n（CH₂=CH₂）=1.8mol，設甲醇起始物質的量為x mol，
           2CH₃OH（g）?CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g）
起始量（mol） x           0           0
變化量（mol） 3.6        1.8          3.6
t₀時刻量（mol） x-3.6     1.8         3.6
結合甲烷的體積分數列方程計算解答；
體積增大，壓強減小，平衡向右移動，導致生成水的量增大，繪制圖象時應注意條件改變瞬間水的物質的量沒有立即變化．

解答 解：（1）煤的氣化是指煤與水蒸氣反應生成CO與H₂的過程，反應的化學方程式為：C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂，
故答案為：C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂；
（2）①反應①中，溫度越高平衡常數越小，說明升高溫度平衡逆向移動，正反應為放熱反應，則a＜0；
反應③=反應①+反應②，則③的焓變=①的焓變+②的焓變，故c=a+b，
故答案為：＜；c=a+b；
②反應③=反應①+反應②，則③的平衡常數=①與②的平衡常數的乘積=2.5×1=2.5；
若反應③是在容積為2L的密閉容器巾進行（500℃）的，測得某一時刻體系內H₂、CO₂、CH₃OH、H₂O物質的量分別為6mol、2mol、10，mol、10mol，產生Qc=$\frac{\frac{10}{2}×\frac{10}{2}}{（\frac{6}{2}）^{3}×\frac{2}{2}}$=$\frac{25}{27}$＜2.5，故此時反應向正反應進行，則甲醇的生成速率大于其消耗速率；
故答案為：2.5；＞；
（3）①由圖1知，530℃，0.1Mpa時乙烯的選擇性最大，為盡可能多地獲得乙烯，控制的生產條件為530℃，0.1Mpa；
故答案為：530℃，0.1Mpa；
②t₀時刻，n（H₂O）=3.6mol n（CH₂=CH₂）=1.8mol，設甲醇起始物質的量為x mol，
            2CH₃OH（g）?CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g）
起始量（mol） x            0           0
變化量（mol） 3.6          1.8         3.6
t₀時刻量（mol） x-3.6       1.8        3.6
所以$\frac{x-3.6}{x-3.6+1.8+3.6}$=10%，解得x=4.2mol
則甲醇的轉化率為$\frac{3.6}{4.2}$×100%=85.7%
若在t₁ 時刻將容器容積快速擴大到原來的2倍，壓強減小，后平衡向右移動，導致生成水的量增大，條件改變后瞬間水的物質的量沒有立即變化，變化發(fā)生后至反應達到新平衡時水的物質的量與時問的關系圖為：；
故答案為：85.7%；．

點評 本題考查化學平衡計算與影響因素、平衡圖象、平衡常數、蓋斯定律應用等，注意掌握平衡常數的有關應用，題目難度中等．