Question

12．甲烷廣泛存在于天然氣、沼氣、煤礦坑氣之中，是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料，更是制造許多化工產(chǎn)品的重要原料．
Ⅰ．制取氫氣
已知：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1
CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1
（1）請(qǐng)寫出CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CO₂（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1
（2）若將0.1mol CH₄和0.1mol H₂O（g）通入體積為10L的密閉容器里，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖
①已知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率0.003mol/（L．min）；
②該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)6.75×10^-4（mol/L）²；
③圖中的p₁＜p₂（填“＜”、“＞”或“=”）；
Ⅱ．制備甲醇
（3）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，將a mol CO與3amol H₂的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0．若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是BC
A．升高溫度     B．再充入1mol CO和3mol H₂   C．將CH₃OH（g）從體系中分離
D．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大                 E．使用更高效的催化劑
Ⅲ．合成乙酸
（4）甲烷直接合成乙酸具有重要的理論意義和應(yīng)用價(jià)值．光催化反應(yīng)技術(shù)使用CH₄和CO₂（填化學(xué)式）直接合成乙酸，且符合“綠色化學(xué)”的要求（原子利用率100%）．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律解答，從待求反應(yīng)出發(fā)分析反應(yīng)物生成物在所給反應(yīng)中的位置，通過(guò)相互加減可得；
（2）①根據(jù)圖象判斷100℃時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率，根據(jù)反應(yīng)方程式及甲烷的物質(zhì)的量計(jì)算出生成氫氣的物質(zhì)的量，再根據(jù)反應(yīng)速率的表達(dá)式計(jì)算出用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率；
②根據(jù)平衡常數(shù)的計(jì)算公式計(jì)算；
③轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)圖象有三個(gè)變量，采用“定一議二”方法判斷壓強(qiáng)大�。�
（3）根據(jù)化學(xué)平衡移動(dòng)原理，增加甲醇產(chǎn)率，使化學(xué)平衡正向移動(dòng)即可；
（4）加成反應(yīng)的原子利用率100%，再結(jié)合原子守恒推斷化學(xué)式．

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=206.2kmol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=247.4kJmol^-1
由蓋斯定律，①×2-②得：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
                     CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0         2.0               0         0
變化量（mol）：0.5         0.5               0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5         1.5               0.5      1.5
①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.0030mol•L^-1•min^-1； 
②該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{（\frac{0.5mol}{10L}）×（\frac{1.5mol}{10L}）^{3}}{（\frac{0.5mol}{10L}）×（\frac{1.5mol}{10L}）}$=6.75×10^-4（mol/L）²，故答案為：6.75×10^-4（mol/L）²；
③通過(guò)圖表可知當(dāng)溫度相同時(shí)，p₂→p₁時(shí)，甲烷的轉(zhuǎn)化率提高，平衡向正向移動(dòng)，正向?yàn)闅怏w系數(shù)增大的反應(yīng)，根據(jù)減小壓強(qiáng)平衡向系數(shù)增大的方向移動(dòng)可知：p₁＜p₂，故答案為：＜；
（3）A．該反應(yīng)是放熱的，升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，會(huì)減小甲醇產(chǎn)率，故A錯(cuò)誤；
B．再充入1mol CO和3molH₂，增大壓強(qiáng)，平衡右移，有利提高甲醇的產(chǎn)率，故B正確；
C．將CH₃OH（g）從體系中分離，會(huì)促使平衡正向移動(dòng)，提高甲醇的產(chǎn)率，故C正確；
D．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，體積不變，各組分濃度不變，所以平衡不會(huì)移動(dòng)，不會(huì)改變甲醇產(chǎn)率，故D錯(cuò)誤；
E．使用催化劑能改變反應(yīng)速率，但平衡不移動(dòng)，故E錯(cuò)誤；
故選BC；
（4）利用加成反應(yīng)可以使原子利用率100%，現(xiàn)有甲烷（CH₄）與另一種化合物發(fā)生加成反應(yīng)生成CH₃COOH，根據(jù)原子守恒可知另一物質(zhì)為CO₂，故答案為：CO₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、化學(xué)平衡計(jì)算、化學(xué)平衡的影響因素及讀圖能力等，綜合性較大，難度中等，知識(shí)面廣，應(yīng)加強(qiáng)平時(shí)知識(shí)的積累．注意控制變量法與定一議二原則應(yīng)用．