Question

7．甲醇是一種重要的化工原料，在生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用．工業(yè)上用天然氣為原料，分為兩階段制備甲醇：
（i）制備合成氣：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206.0kJ•mol^-1
（ii）合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
請(qǐng)回答下列問題：
（1）制備合成氣：將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應(yīng)室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應(yīng)（i）；CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示．
①已知100℃時(shí)達(dá)到平衡的時(shí)間為5min，則從反應(yīng)開始到平衡，用氫氣表示的平均反應(yīng)速率為：v（H₂）=0.0030mol•L^-1•min^-1．
100℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K═2.25×10^-4；若升高溫度，平衡常數(shù)K將增大（填“增大”、”“減小”或“不變”）．
②圖中p₁＜p₂（填“＜”、”“＞”或“=”）．
③為解決合成氣中H₂過量而CO不足的問題，原料氣中需添加CO₂，發(fā)生反應(yīng)如下：CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g），為了使合成氣配比最佳，理論上原料氣中甲烷與二氧化碳體積比為3：1．
（2）合成甲醇：在Cu₂O/ZnO作催化劑的條件下，向2L的密閉容器中通入1molCO（g）和2mol H₂（g），發(fā)生反應(yīng)（ ii）．
①反應(yīng)（ ii）需在低溫（填“高溫”或“低溫”）才能自發(fā)進(jìn)行．
②據(jù)研究，反應(yīng)過程中起催化作用的為Cu₂O，反應(yīng)體系中含少量的CO₂有利于維持Cu₂O的量不變，原因是Cu₂O+CO?2Cu+CO₂（用化學(xué)方程式表示）．

Answer 1

分析 （1）①用H₂表示的平均反應(yīng)速率可以根據(jù)甲烷的反應(yīng)速率來求算，根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$來計(jì)算甲烷的反應(yīng)速率；根據(jù)平衡常數(shù)K═$\frac{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}{c（CH{\;}_{4}）c（H{\;}_{2}O）}$計(jì)算，升溫平衡正向移動(dòng)，所以若升高溫度，平衡常數(shù)K將增大；
②根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)化學(xué)平衡移動(dòng)的影響來回答，反應(yīng)前后氣體體積增大，增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小；
③①CH₄+H₂O（g）?CO+3H₂，②CO₂+H₂=CO+H₂O，③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），則①×3+②+③×4得3CH₄+CO₂+2H₂O=4CH₃OH；
（2）①依據(jù)反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0分析判斷；
②在加熱條件下CO能還原Cu₂O使其減少，因此反應(yīng)體系中含有少量二氧化有利于抑制反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，維持Cu₂O的量不變．

解答 解：（1）①根據(jù)圖象數(shù)據(jù)，用甲烷表示的平均反應(yīng)速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.01mol/L×0.5}{5min}$=0.001mol/（L•min），氫氣的反應(yīng)速率是甲烷化學(xué)反應(yīng)速率的3倍，故用H₂表示的平均反應(yīng)速率為0.0030mol•L^-1•min^-1，
    CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始  1      2         0      0
轉(zhuǎn)化 0.5     0.5      0.5     0.5
平衡0.5     1.5       0.5     0.5
所以平衡常數(shù)K═$\frac{c（CO）c（H{\;}_{2}）{\;}^{3}}{c（CH{\;}_{4}）c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.5}{100}×（\frac{0.5}{100}）{\;}^{3}}{\frac{0.5}{100}×\frac{1.5}{100}}$=2.25×10^-4；又升溫平衡正向移動(dòng)，所以若升高溫度，平衡常數(shù)K將增大；
故答案為：0.0030mol•L^-1•min^-1；2.25×10^-4；增大；
②根據(jù)化學(xué)方程式可以得出，反應(yīng)前后氣體體積增大，增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，可以從200℃來分析，發(fā)現(xiàn)甲烷的轉(zhuǎn)化率是p₁時(shí)大于p₂時(shí)的，所以P₁＜P₂，
故答案為：＜；
③CH₄+H₂O（g）?CO+3H₂，②CO₂+H₂=CO+H₂O，③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），則①×3+②+③×4得3CH₄+CO₂+2H₂O=4CH₃OH，所以為了使合成氣配比最佳，理論上原料氣中甲烷與二氧化碳體積比為3：1，
故答案為：3：1；
（2）①合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反應(yīng)前后氣體體積減小，△S＜0，反應(yīng)是放熱反應(yīng)，△H＜0，滿足△H-T△S＜0，需要在低溫下自發(fā)進(jìn)行；
故答案為：低溫；
 ②在加熱條件下CO能還原Cu₂O使其減少，因此反應(yīng)體系中含有少量二氧化有利于抑制反應(yīng)向正反應(yīng)方向移動(dòng)，維持Cu₂O的量不變，反應(yīng)方程式為Cu₂O+CO?2Cu+CO₂，
故答案為：Cu₂O+CO?2Cu+CO₂．

點(diǎn)評(píng) 本題考查反應(yīng)速率概念計(jì)算，平衡標(biāo)志的判斷，影響化學(xué)平衡、反應(yīng)速率因素和圖象的分析，注意掌握基礎(chǔ)知識(shí)的掌握，題目難度中等．