Question

10．合成氣（C0+H₂）在煤化工和天然氣化工中有著十分重要的地位，由合成氣可合成多種有機(jī)基礎(chǔ)原料和產(chǎn)品．
（一）煤化工生產(chǎn)中生產(chǎn)合成氣的反應(yīng)為：C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）△H₁
已知：C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=C0（g）△H₂=-110.5kJ•mol^-1
     H₂（g）+$\frac{1}{2}$0₂（g）=H₂0（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
（1 ）反應(yīng)C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）在高溫（填高溫或低溫）下自發(fā)進(jìn)行，理由是△H₁=△H₂-△H₃=131.5kJ＞0，△S＞0．
（2）在恒溫恒容下，同時(shí)放入C（s）、H₂0（g）、CO（g）、H₂（g）四種物質(zhì)，下列事實(shí)能夠說(shuō)明反應(yīng)C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g））已達(dá)到平衡的是ACD．
A．反應(yīng)體系中，混合氣體的密度不再改變
B．反應(yīng)體系中，各組分的物質(zhì)的量相等
C．反應(yīng)體系中，當(dāng)有2molH-0鍵斷裂的同時(shí)有1molH-H鍵斷裂
D．混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為18且保持不變
（二）天然氣化工中生產(chǎn)合成氣的主要反應(yīng)為：
   2CH₄（g）+0₂（g）?2C0（g）+4H₂（g）△H=-23kJ•mol^-1
在恒容容器中按物質(zhì)的量之比1：2加入一定量的CH₄和O₂，在壓強(qiáng)為1.01×10⁵Pa、不同溫度下測(cè)得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率如圖所示：
（3）圖中所表示的CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線，實(shí)質(zhì)上是多個(gè)反應(yīng)共同作用的結(jié)果．與之相關(guān)的反應(yīng)還有以下三個(gè)反應(yīng)：
I．CH₄（g）+2O₂（g）?C0₂（g）+2H₂0（g）△H₅=-802kJ•mol^-1
Ⅱ．CH₄（g）+H₂O（g）?C0（g）+3H₂（g）△H₆=+201kJ•mol^-1
Ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₇=-35kJ•mol^-1
你認(rèn)為上述反應(yīng)中，在高溫下占主導(dǎo)地位的是Ⅱ（填反應(yīng)序號(hào)）．
（4）根據(jù)平衡移動(dòng)原理，請(qǐng)?jiān)趫D中畫出壓強(qiáng)為5.05×10⁵Pa時(shí)CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的變化曲線．
（5）工業(yè)上常用選擇性來(lái)判斷不同反應(yīng)條件下目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率，即：選擇性=$\frac{目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率}{反應(yīng)原料的轉(zhuǎn)化率}$，現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)測(cè)得反應(yīng)2CH₄（g）+0₂（g）?2CO（g）+4H₂（g）在750℃下，以不同碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]投料時(shí)反應(yīng)達(dá)平衡后CH₄的轉(zhuǎn)化率及H₂、CO的選擇性，所測(cè)數(shù)據(jù)如表所示：

碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]	1：0.25	1：0.5	1：1	1：1.25
CH4轉(zhuǎn)化率	0.40	0.88	0.98	0.99
H2選擇性	0.98	0.93	0.67	0.40
CO選擇性	0.99	0.94	0.65	0.32

最佳碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]為1：0.5．假設(shè)按碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]=l：1投料，反應(yīng)容器的體積為VL，通入CH₄和0₂各amol，請(qǐng)列式表示平衡時(shí)容器內(nèi)C0的濃度（用a、V的代數(shù)式表示）$\frac{a×0.98×0.65}{V}$mol/L．

Answer 1

分析 （1）已知①C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）△H₁
②C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=C0（g）△H₂=-110.5kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$0₂（g）=H₂0（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律①=②-③，△H₁=△H₂-△H₃，再根據(jù)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)△G=△H-T△S判斷；
（2）根據(jù)化學(xué)平衡時(shí)，正逆反應(yīng)速率相等，各組分含量保持不變進(jìn)行分析；
（3）根據(jù)高溫時(shí)，有利于吸熱反應(yīng)；
（4）該反應(yīng)是個(gè)體積增大的反應(yīng)，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率較�。�
（5）根據(jù)圖表數(shù)據(jù)，CH₄的轉(zhuǎn)化率及H₂、CO的選擇性，均較大為最佳碳氧比；再由選擇性=$\frac{目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率}{反應(yīng)原料的轉(zhuǎn)化率}$和目標(biāo)產(chǎn)物的產(chǎn)率=$\frac{目標(biāo)產(chǎn)物實(shí)際量}{目標(biāo)產(chǎn)物的理論產(chǎn)量}$計(jì)算．

解答 解：（1）已知①C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）△H₁
②C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=C0（g）△H₂=-110.5kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$0₂（g）=H₂0（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律①=②-③，△H₁=△H₂-△H₃=131.5kJ＞0，反應(yīng)①氣體體積減小，則△S＞0，當(dāng)溫度較高時(shí)，△G=△H-T△S＜0，能自發(fā)進(jìn)行；
故答案為：高溫；△H₁=△H₂-△H₃=131.5kJ＞0，△S＞0；
（2）反應(yīng)C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g））
A．恒溫恒容，則體積不變，而混合氣體的質(zhì)量增大，即隨著反應(yīng)的進(jìn)行ρ=$\frac{m}{V}$增大，混合氣體的密度不再改變時(shí)說(shuō)明反應(yīng)到達(dá)平衡狀態(tài)，故A正確；
B．各組分的物質(zhì)的量相等不能說(shuō)明反應(yīng)平衡，故B錯(cuò)誤；
C．反應(yīng)體系中，當(dāng)有2molH-0鍵斷裂說(shuō)明有1molH-H鍵生成，同時(shí)有1molH-H鍵斷裂，說(shuō)明正逆反應(yīng)速率相等，反應(yīng)平衡，故C正確；
D．隨著反應(yīng)的進(jìn)行混合氣體的總質(zhì)量和總物質(zhì)的量均變化，混合氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量為18且保持不變時(shí)，反應(yīng)達(dá)到平衡，故D正確；
故答案為；ACD；
（3）高溫時(shí)，有利于吸熱反應(yīng)，故Ⅱ占主導(dǎo)作用，故答案為：Ⅱ；
（4）該反應(yīng)是個(gè)體積增大的反應(yīng)，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率較小所以圖象為；
故答案為：；
（5）CH₄的轉(zhuǎn)化率及H₂、CO的選擇性，均較大時(shí)為最佳碳氧比，根據(jù)圖表數(shù)據(jù)，最佳碳氧比為1：0.5；
反應(yīng)2CH₄（g）+0₂（g）?2CO（g）+4H₂（g），通入CH₄和0₂各amol時(shí)，CO理論生成amol，則CO的產(chǎn)率為：$\frac{n（CO）}{a}$，由圖表數(shù)據(jù)，[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]=l：1時(shí)，CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.98，CO的選擇性為0.65，則有：0.65=$\frac{\frac{n（CO）}{a}}{0.98}$
則n（CO）=a×0.98×0.65mol，則c（CO）=$\frac{a×0.98×0.65}{V}$mol/L；
故答案為：1：0.5；$\frac{a×0.98×0.65}{V}$mol/L．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件，化學(xué)平衡的判斷以及有關(guān)化學(xué)平衡的計(jì)算，題目較靈活，難度較大，（5）題讀懂題目給出的信息是關(guān)鍵．