Question

4．甲烷自熱氧化重整是工業(yè)上獲得氫氣的重要方法，其反應(yīng)為：
2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol．
（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=bkJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂
③CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₃=ckJ/mol．
則△H₂=（2a-b-2c）kJ/mol（用含a、b、c的代數(shù)式表示）．
（2）以CO、H₂為原料合成甲醇的反應(yīng)為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．在體積均為2L的三個(gè)恒容密閉容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1molCO和2molH₂，三個(gè)容器的反應(yīng)溫度分別為T₁、T₂、T₃且恒定不變．圖1為三個(gè)容器中的反應(yīng)均進(jìn)行到5min時(shí)H₂的體積分?jǐn)?shù)示意圖，其中有一個(gè)容器反應(yīng)一定達(dá)到平衡狀態(tài)．CO的平衡轉(zhuǎn)化率在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化如圖2所示．

①0～5min時(shí)間內(nèi)容器II中用CH₃OH表示的反應(yīng)速率為0.0875mol/（L•min）．
②三個(gè)容器中一定達(dá)到平衡狀態(tài)的是容器II．
③當(dāng)三個(gè)容器中的反應(yīng)均達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率最低的是容器III．
④平衡常數(shù)最大的是容器I．
⑤工業(yè)實(shí)際合成CH₃OH生產(chǎn)中，常用圖中M點(diǎn)而不是N點(diǎn)對應(yīng)的反應(yīng)條件，運(yùn)用化學(xué)反應(yīng)速率和平衡知識(shí)，同時(shí)考慮生產(chǎn)實(shí)際，說明選擇該反應(yīng)條件的理由：相對于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500～600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，CO的平均轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓，對設(shè)備要求不高．
（3）合成甲醇尾氣中CO的濃度常用電化學(xué)氣敏傳感器進(jìn)行測量，其中CO傳感器可用圖3簡單表示，則陽極發(fā)生的電極反應(yīng)為CO+H₂O-2e^-=CO₂+2H⁺．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律分析，不管化學(xué)反應(yīng)是一步或分幾步完成，其反應(yīng)熱是不變的；根據(jù)目標(biāo)方程改寫分方程，然后求出反應(yīng)熱；
（2）①利用三段式求出反應(yīng)生成的甲醇的物質(zhì)的量濃度，再根據(jù)v=$\frac{△c}{t}$計(jì)算；
②達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)氫氣的轉(zhuǎn)化率最大，氫氣的體積分?jǐn)?shù)最��；
③氫氣的體積分?jǐn)?shù)最大時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率最��；
④該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，反應(yīng)向正方向進(jìn)行的程度越大；
⑤根據(jù)溫度、壓強(qiáng)對反應(yīng)速率的影響以及對設(shè)備的要求分析；
（3）依據(jù)電解原理分析，陽極是失電子發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)，結(jié)合圖示可知是一氧化碳失電子生成二氧化碳．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=bkJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂
③CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₃=ckJ/mol
④2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
根據(jù)蓋斯定律：2×④-①-2×③得到CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂=（2a-b-2c）kJ/mol，
故答案為：（2a-b-2c）；
（2）①設(shè)反應(yīng)生成的甲醇為xmol/L，
               CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．
開始（mol/L）：0.5      1         0
轉(zhuǎn)化（mol/L）：x        2x        x
平衡（mol/L）：0.5-x    1-2x      x
到5min時(shí)，氫氣的體積分?jǐn)?shù)為0.2，則$\frac{1-2x}{0.5-x+1-2x+x}$=0.2，則x=0.375mol/L，
則v=$\frac{△c}{t}$=$\frac{0.4375mol/L}{5min}$=0.0875mol/（L•min）；
②達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)氫氣的轉(zhuǎn)化率最大，氫氣的體積分?jǐn)?shù)最小，II對應(yīng)的氫氣的體積分?jǐn)?shù)最小，所以II可能達(dá)到了平衡狀態(tài)；
故答案為：II；
③氫氣的體積分?jǐn)?shù)最大時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率最小，已知III時(shí)，氫氣的體積分?jǐn)?shù)最大，轉(zhuǎn)化率最�。�
故答案為：III；
④由圖2可知，升高溫度CO的轉(zhuǎn)化率減小，即向逆反應(yīng)移動(dòng)，所以該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度越低，反應(yīng)向正方向進(jìn)行的程度越大，K越大，已知I的溫度最低，則其K最大；
故答案為：I；
⑤相對于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓對設(shè)備要求不高，
故答案為：相對于N點(diǎn)而言，采用M點(diǎn)，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應(yīng)速率較快，氫氣的平衡轉(zhuǎn)化率也較高，壓強(qiáng)為常壓對設(shè)備要求不高；
（3）陽極是失電子發(fā)生氧化反應(yīng)的物質(zhì)，結(jié)合圖示可知是一氧化碳失電子生成二氧化碳同時(shí)生成氫離子，電極反應(yīng)為：CO+H₂O-2e^-=CO₂+2H⁺，
故答案為：CO+H₂O-2e^-═CO₂+2H⁺．

點(diǎn)評 本題考查了反應(yīng)熱的計(jì)算、化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、化學(xué)平衡圖象、反應(yīng)速率與平衡常數(shù)、電解原理的應(yīng)用等，注意理解掌握化學(xué)平衡的計(jì)算方法，難度中等，側(cè)重于考查學(xué)生的分析能力和計(jì)算能力．