Question

13．以天然氣為原料合成甲醇常見的方法有水煤氣法和目前正在開發(fā)的直接氧化法．
（1）有關(guān)熱化學(xué)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=-90kJ•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2.75molH₂，在不同條件下發(fā)生反應(yīng)，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(yīng)的△H＜（填“＞”“＜”或“=”，下同）0．
②M、N兩點時化學(xué)反應(yīng)速率：v（N）＜v（M）．
③為提高CO₂的轉(zhuǎn)化率除可以改變溫度和壓強外，還可采取的措施是增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$的值．
④圖中M點時，容器體積為10L，則N點對應(yīng)的平衡常數(shù)K=1.04（填數(shù)值，保留2位小數(shù)）
（3）在一定條件下，向容積不變的某密閉容器中加入amolCO₂和bmolH₂發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）欲使整個反應(yīng)過程中CO₂的體積分?jǐn)?shù)為恒定值，則a與b的關(guān)系是a=b．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO（g）+2H₂（g）△H₁=-35.4kJ•mol^-1
②CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂=-90kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×2+②×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g），則△H₃=2△H₁+2△H₂；
（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(yīng)方向移動；
②正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應(yīng)方向移動，甲醇的物質(zhì)的量增大，故壓強P₁＞P₂，壓強越大，反應(yīng)速率越快；
③在可逆反應(yīng)中，增加一種反應(yīng)物濃度可以提高另一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；
④圖中M、N點溫度相同，平衡常數(shù)相同，M點時，容器體積為10L，平衡時CH₃OH的物質(zhì)的量為0.25mol，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.1      0.275     0         0
變化（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=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$計算；
（3）設(shè)轉(zhuǎn)化的二氧化碳的物質(zhì)的量為x，則：
           CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：a       b         0        0
轉(zhuǎn)化（mol）：x       3x        x        x
平衡（mol）：a-x     b-3x      x        x
則CO₂的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{a-x}{a+b-2x}$，據(jù)此判斷．

解答 解：（1）已知：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，
根據(jù)蓋斯定律，（①+②）×2可得：2CH₄（g）+O₂（g）?2CH₃OH（g），故△H₃=2△H₁+2△H₂=2×（-35.4kJ•mol^-1-90.1kJ•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(yīng)方向移動，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，故△H＜0，
故答案為：＜；
②正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，溫度一定時，增大壓強，平衡向正反應(yīng)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(yīng)速率也增大，所以v（N）＜v（M），
故答案為：＜；
③在可逆反應(yīng)中，增加一種反應(yīng)物濃度可以提高另一反應(yīng)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$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$的值，
故答案為：增大$\frac{n（{H}_{2}）}{n（C{O}_{2}）}$的值；
④圖中M、N點溫度相同，平衡常數(shù)相同，M點時，容器體積為10L，平衡時CH₃OH的物質(zhì)的量為0.25mol，則：
              CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L）：0.1     0.275       0       0
變化（mol/L）：0.025   0.075       0.025   0.025
平衡（mol/L）：0.075   0.2         0.025   0.025
故平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{c（C{O}_{2}）×{c}^{3}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.025×0.025}{0.075×0．{2}^{3}}$=1.04，
故答案為：1.04；
（3）設(shè)轉(zhuǎn)化的二氧化碳的物質(zhì)的量為x，則：
            CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol）：a        b         0        0
轉(zhuǎn)化（mol）：x        3x        x        x
平衡（mol）：a-x      b-3x      x        x
則CO₂的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{a-x}{a+b-2x}$，要使$\frac{a-x}{a+b-2x}$為恒定的值，則a=b，
故答案為：a=b．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、化學(xué)平衡常數(shù)、反應(yīng)熱計算等，是對學(xué)生綜合能力的考查，需要學(xué)生具備扎實的基礎(chǔ)，難度中等．