Question

1．2014年國家科學技術大會上，甲醇制取低碳烴技術（DMTO）獲國家技術發(fā)明一等獎．DMTO主要包括煤的氣化、液化、烯烴化三個階段．
（1）煤的氣化是煤在高溫下轉化為水煤氣的過程，主要反應方程式是C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂．
（2）煤的液化發(fā)生的主要反應如下表：

化學反應方程式	平衡常數
	500℃	700℃
①2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g）△H1=akJ/mol	2.5	0.2
②H2（g）+CO2（g）=CO（g）+H2O（g）△H2=bkJ/mol	1.0	2.3
③3H2（g）+CO2（g）=CH3OH（g）+H2O（g）△H3	K3	4.6

①△H₁＜△H₂（填“＞”、“＜”、“=”），△H₃=a+bkJ/mol（用a、b表示）．
②若反應①在容積為2L的密閉容器中進行，500℃測得某一時刻體系內H₂、CO、CH₃0H物質的量分別為4、2、10，則此時生成CH₃0H的速率＞消耗CH₃0H的速率（填“＞”、“＜”、“=”）
③K₃=2.5．
（3）烯烴化階段：圖1是烯烴化階段產物中乙烯、丙烯的選擇性與溫度、壓強之間的關系（選擇性：指生成某物質的百分比．圖中I、II表示乙烯，III表示丙烯）．

①根據圖1，要盡可能多的獲得乙烯，控制反應的最佳條件是530℃，0.1Mpa．
②一定溫度下，某密閉容器發(fā)生如下反應：2CH₃OH（g）=CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g），在壓強為P₁時，產物水的物質的量與時間的關系如圖2所示，若t₁時測得甲醇的體積分數是10%，此時甲醇乙烯化的轉化率是85.7%（保留3位有效數字），若要提高甲醇的轉化率，可采取的措施是降低壓強、分離乙烯或水（寫一條即可）．
③若在t₂時，將容器體積迅速擴大到原來的2倍，請圖2中繪制出此變化發(fā)生后至反應達到新平衡時水的物質的量與時間的關系．

Answer 1

分析 （1）煤的氣化是指煤與水蒸氣反應生成CO與H₂的過程．
（2）①因溫度高不利于平衡向放熱反應方向移動，從而導致平衡常數減小，而反應①在700℃時的平衡常數比在500℃時的平衡常數小，故①的正反應是放熱反應，反應②在700℃時的平衡常數比在500℃時的平衡常數大，故②的正反應是吸熱反應；依據蓋斯定律，用熱化學方程式①+②就可得熱化學方程式③；
②依據數據計算濃度商Qc和得到的平衡常數比較判斷反應進行的方向，比較甲醇的生成速率和消耗速率大��；
③依據蓋斯定律，用熱化學方程式①+②就可得熱化學方程式③，所以反應①、②的平衡常數表達式相乘得到反應③的平衡常數；
（3）①由圖1知，530℃，0.1Mpa時乙烯的選擇性最大；
②t₀時刻，n（H₂O）=3.6mol  n（CH₂=CH₂）=1.8mol，設甲醇起始物質的量為x mol，
               2CH₃OH（g）?CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g）
起始量（mol）     x             0          0
變化量（mol）   3.6            1.8        3.6
t₀時刻量（mol） x-3.6          1.8        3.6 
$\frac{x-3.6}{x-3.6+1.8+3.6}$=10%，得到x計算甲醇的轉化率；
根據外界條件對化學平衡的影響來解答；
③因壓強變大后平衡向右移動，導致生成水的量增大，繪制圖象時應注意條件改變后水的物質的量沒有立即變化，重新達到平衡所需要的時間應比t₃多．

解答 解：（1）煤的氣化是指煤與水蒸氣反應生成CO與H₂的過程，反應的化學方程式為：C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂；
故答案為：C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂；
（2）①因溫度高不利于平衡向放熱反應方向移動，從而導致平衡常數減小，而反應①在700℃時的平衡常數比在500℃時的平衡常數小，故①的正反應是放熱反應，a＜0；反應②在700℃時的平衡常數比在500℃時的平衡常數大，故②的正反應是吸熱反應，b＞0，所以△H₁＜△H₂；
   2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）△H₁=akJ/mol          ①
   H₂（g）+CO₂（g）=CO（g）+H₂O（g）△H₂=bkJ/mol     ②
依據蓋斯定律，①+②得熱化學方程式：3H₂（g）+CO₂ （g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃=（a+b）kJ/mol；
故答案為：＜；c=a+b； 
②若反應①在容積為2L的密閉容器中進行，500℃測得某一時刻體系內H₂、CO、CH₃0H物質的量分別為4、2、10，求得Qc=$\frac{C（C{H}_{3}OH）}{{C}^{2}（{H}_{2}）C（CO）}$=$\frac{5}{2{\;}^{2}×1}$＜2.5，故此時反應向右進行，甲醇的生成速率大于其消耗速率；
故答案為：＞；
③反應①、②的平衡常數相乘得到反應③的平衡常數K₃=2.5×1=2.5；
故答案為：2.5；
（3）①由圖1知，530℃，0.1Mpa時乙烯的選擇性最大，為盡可能多地獲得乙烯，控制的生產條件為530℃，0.1Mpa；
故答案為：530℃，0.1Mpa；
②t₀時刻，n（H₂O）=3.6mol  n（CH₂=CH₂）=1.8mol，設甲醇起始物質的量為x mol，
               2CH₃OH（g）?CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g）
起始量（mol）     x             0          0
變化量（mol）   3.6            1.8        3.6
t₀時刻量（mol） x-3.6          1.8        3.6 
$\frac{x-3.6}{x-3.6+1.8+3.6}$=10%，x=4.2mol則甲醇的轉化率為$\frac{3.6}{4.2}$×100%=85.7%；
降低壓強、分離乙烯或水，平衡正向移動，甲醇的轉化率提高；
故答案為：85.7%；降低壓強、分離乙烯或水；
③若在t₁ 時刻將容器容積快速擴大到原來的2倍，因壓強變大后平衡向右移動，導致生成水的量增大，繪制圖象時應注意條件改變后水的物質的量沒有立即變化，重新達到平衡所需要的時間應比t₃多，在圖中繪制出此變化發(fā)生后至反應達到新平衡時水的物質的量與時問的關系圖為：；
故答案為：85.7%；．

點評 本題考查了化學平衡的影響因素分析，化學計算，圖象的判斷方法，注意平衡常數的計算應用以及平衡移動的原理，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．