Question

為解決能源短缺及環(huán)境污染，許多國家研究用甲醇（有毒、對許多金屬有腐蝕性）替代汽油做汽車燃料．汽油與甲醇燃燒的熱化學方程式如下：
2C₈H₁₈（l）+25O₂（g）=16CO₂（g）+18H₂O（l）；△H=-a kJ?mol^-1
2CH₃OH（l）+3O₂（g）=2CO₂（g）+4H₂O（l）；△H=-b kJ?mol^-1
根據(jù)要求，回答下列問題：
（1）工業(yè)合成甲醇的一種途徑中，各物質(zhì)間的轉(zhuǎn)化關(guān)系如圖1．已知M是含有10個電子的分子，X為單質(zhì)、Y為化合物，均是還原性的氣體．反應(yīng)（I）的化學方程式為

 

．
（2）將2.0mol M和2.0mol H₂O（g）通入100L的密閉容器中，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)（I），測得在一定的壓強下M的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖2．
①假設(shè)T₁℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂O（g）表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為

 

mol?L^-1?min^-1．
②T₁℃時反應(yīng)（I）的平衡常數(shù)為

 

．
③反應(yīng)（I）的△H

 

0（填“＞”或“＜”）．
（3）汽車汽油機工作時，先吸入霧狀燃料（可看作氣體）與空氣的混合氣，經(jīng)壓縮點燃后，產(chǎn)生動力驅(qū)動汽車運行．若用甲醇替代汽油做汽車燃料，需改造汽油機．
①改造之一是調(diào)整汽油機控制系統(tǒng)，以調(diào)整混合氣中燃料與空氣之配比．若改造前吸入汽油機的混合氣中汽油（霧狀）與空氣體積比為m，改造后吸入汽油機的混合氣中甲醇（霧狀）與空氣體積比為n．則n

 

m（填“＜”、“＞”或“=”）．
②請根據(jù)甲醇和汽油的性質(zhì)差異，預(yù)測汽油機還需改造的一個問題，并作出解釋：
需要解決的問題：

 

；解釋：

 

．
（4）若使用汽油、甲醇作汽車燃料時效率相同．試估算：汽油機工作時，相同質(zhì)量的汽油與甲醇所提供給汽車的能量之比為

 

．

Answer 1

分析：（1）根據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖和元素守恒可知M含有碳元素，已知M是含有10個電子的分子，X為單質(zhì)、Y為化合物，均是還原性的氣體，則M為CH₄，X為H₂，Y為CO；
（2）①利用三段式求出轉(zhuǎn)化的H₂O的物質(zhì)的量，再求出其反應(yīng)速率；
②先求出平衡時各物質(zhì)的濃度，再求出平衡常數(shù)；
③根據(jù)圖象可知溫度越高，甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，依此判斷；
（3）①根據(jù)燃燒方程可知，等物質(zhì)的量的汽油和甲醇完全燃燒，汽油消耗的氧氣多；
②根據(jù)物理性質(zhì)可知，汽油和甲醇的沸點不同，所以要調(diào)整霧化系統(tǒng)；
（4）先求出相同質(zhì)量的汽油和甲醇完全燃燒放出的能量，再求出比值．

解答：解：（1）根據(jù)轉(zhuǎn)化關(guān)系圖和元素守恒可知M含有碳元素，已知M是含有10個電子的分子，所以M為CH₄，X為單質(zhì)、Y為化合物，均是還原性的氣體，則X為H₂，Y為CO，所以反應(yīng)的化學方程式為：CH₄+H₂O

一定條件下

CO+3H₂；
故答案為：CH₄+H₂O

一定條件下

CO+3H₂；
（2）①設(shè)參加反應(yīng)的甲烷的物質(zhì)的量為xmol，
                CH₄ +H₂O

一定條件下

   CO+3H₂
起始量（mol）：2        2              0      0
轉(zhuǎn)化量（mol）：x        x              x      3x
平衡量（mol）：2-x      2-x             x      3x
已知平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率為50%，則

x

2

×100%=50%，所以x=1，△c（H₂O）=

1mol

100L

=0.01mol/L，v（H₂O）=

△c

t

=

0.01mol/L

5min

=2.0×10^-3mol?L^-1?min^-1；
故答案為：2.0×10^-3；
②平衡時各物質(zhì)的濃度分別為：c（CH₄）=

1mol

100L

=0.01mol/L，c（H₂O）=

1mol

100L

=0.01mol/L，c（CO）=

1mol

100L

=0.01mol/L，c（H₂）=

3mol

100L

=0.03mol/L，
所以平衡常數(shù)為：K=

c(CO)?c3(H2)

c(CH4)?c(H2O)

=

0.01×0.032

0.01×0.01

=2.7×10^-3；
故答案為：2.7×10^-3；
③根據(jù)圖象可知溫度越高，甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，說明升高溫度平衡向正方向移動，所以正方向為吸熱反應(yīng)，即△H＞0；
故答案為：＞；
（3）①根據(jù)燃燒方程可知，等物質(zhì)的量的汽油完全燃燒與甲醇完全燃燒相比較，汽油消耗的氧氣多，所以改造前吸入汽油機的混合氣中汽油（霧狀）與空氣體積比小于改造后吸入汽油機的混合氣中甲醇（霧狀）與空氣體積比，即m＜n，則n＞m；
故答案為：＞；
②根據(jù)物理性質(zhì)可知，汽油和甲醇的沸點不同，所以要調(diào)整霧化系統(tǒng)，故答案為：調(diào)整汽油機霧化系統(tǒng)；因為汽油和甲醇的沸點不同；
（4）汽油和甲醇的質(zhì)量各為1g，則汽油的物質(zhì)的量為

1

114

mol，其完全燃燒放出熱量為

a

2

×

1

114

=

a

228

KJ，甲醇的物質(zhì)的量為

1

32

mol，其完全燃燒放出熱量為

b

2

×

1

32

=

b

64

，所以相同質(zhì)量的汽油與甲醇所提供給汽車的能量之比為

a 228

b 64

=

16a

57b

；
故答案為：

16a

57b

．

點評：本題考查了物質(zhì)的推斷、方程式的書寫、化學平衡的有關(guān)計算、平衡常數(shù)、反應(yīng)熱的計算等，涉及的知識點較多，題目難度較大，側(cè)重對基本知識的應(yīng)用的考查，以及對學生綜合能力的考查．