Question

18．甲醇是一種可再生能源，又是一種重要的化工原料，具有開發(fā)和應(yīng)用的廣闊前景．
工業(yè)上可用如下方法合成甲醇：

方法一	CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）
方法二	CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）

（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
則甲醇不完全燃燒生成CO和液態(tài)水的熱化學(xué)反應(yīng)方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1．
（2）方法一生產(chǎn)甲醇是目前工業(yè)上常用的方法．在一定溫度下，向2L密閉容器中充入1molCO和2molH₂，發(fā)生上述反應(yīng)，5分鐘反應(yīng)達(dá)平衡，此時CO的轉(zhuǎn)化率為80%．請回答下列問題：
①前5分鐘內(nèi)甲醇的平均反應(yīng)速率為0.08mol/（L•min）；已知該反應(yīng)在低溫下能自發(fā)進(jìn)行，則反應(yīng)的△H為＜（填“＞”、“＜”或“=”）0．
②在該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K=100．
③在圖甲方框的坐標(biāo)系中畫出甲醇的物質(zhì)的量濃度隨時間的變化曲線．

（畫在答題紙上）
④關(guān)于上述反應(yīng)，下列敘述不正確的是A（填編號）．
A．達(dá)到平衡時，移走部分甲醇，平衡將向右移動，正反應(yīng)速率加快
B．縮小容器的體積，平衡將向右移動，c（CO）將變大
C．在相同的條件下，若使用甲催化劑能使正反應(yīng)速率加快10⁵倍，使用乙催化劑能使逆反應(yīng)速率加快10⁸倍，則應(yīng)該選用乙催化劑
D．若保持平衡時的溫度和壓強(qiáng)不變，再向容器中充入0.8molCO和0.6mol CH₃OH，則此時v_正＞v_逆
（3）方法二生產(chǎn)甲醇應(yīng)更具前景，寫出方法二生產(chǎn)甲醇的一個優(yōu)點(diǎn)減少二氧化碳的排放，有效控制溫室效應(yīng)．
（4）根據(jù)反應(yīng)2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），可利用CH₃OH生產(chǎn)CH₃OCH₃．
有人對甲醇脫水轉(zhuǎn)化為二甲醚過程從溫度、液體空速（在單位時間內(nèi)單位體積的催化劑表面通過的原料的量，空速越小，停留時間越長，反應(yīng)程度越高，但處理能力越小）、壓力對甲醇的轉(zhuǎn)化率影響進(jìn)行研究，分別獲得圖乙2幅圖．
根據(jù)以上兩幅圖選擇不受空速影響的合適反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)320℃、0.2-0.6Mpa．
（5）根據(jù)文獻(xiàn)，甲醇生產(chǎn)二甲醚的轉(zhuǎn)化率可以根據(jù)冷凝的液相中的甲醇與水的相對百分含量來計(jì)算（忽略揮發(fā)到氣相的甲醇）．若以C_w表示冷凝液中水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C_M表示冷凝液中甲醇的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，則甲醇的轉(zhuǎn)化率x_M=$\frac{32C{\;}_{W}}{32C{\;}_{W}+9C{\;}_{M}}$．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)熱化學(xué)方程式和蓋斯定律計(jì)算得到所需熱化學(xué)方程式；
（2）①反應(yīng)速率V=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算得到；自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)△H-T△S＜0分析判斷；
②依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計(jì)算平衡濃度，平衡常數(shù)等于生成物平衡濃度冪次方乘積除以反應(yīng)物平衡濃度冪次方乘積；
③依據(jù)甲醇從反應(yīng)開始到5min達(dá)平衡，濃度由0增大到0.4mol/L畫圖；
④依據(jù)化學(xué)平衡移動原理分析選項(xiàng)，改變條件，平衡向減弱這種改變的方向進(jìn)行；
（3）從減小二氧化碳的排放，有效控制溫室效應(yīng)來分析；
（4）分析圖1、圖2，找出不受空速影響的合適反應(yīng)溫度和壓強(qiáng)；
（5）可以設(shè)出冷凝液總質(zhì)量為mg，然后列式計(jì)算出甲醇的轉(zhuǎn)化率．

解答 解：（1）：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）?2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
由蓋斯定律計(jì)算，（①-②-③×4）×$\frac{1}{2}$得到甲醇不完全燃燒生成CO和液態(tài)水的熱化學(xué)反應(yīng)方程式為CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1；
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1；
（2）在一定溫度下，向2L密閉容器中充入1molCO和2molH₂，發(fā)生上述反應(yīng)，5分鐘反應(yīng)達(dá)平衡，此時CO的轉(zhuǎn)化率為80%，則
                 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）  0.5        1          0  
變化量（mol/L）  0.4       0.8         0.4
平衡量（mol/L）  0.1        0.2        0.4
①前5分鐘內(nèi)甲醇的平均反應(yīng)速率=$\frac{0.4mol/L}{5min}$=0.08mol/L•min；已知該反應(yīng)在低溫下能自發(fā)進(jìn)行，△H-T△S＜0，反應(yīng)△S＜0，則△H＜0；
故答案為：0.08mol/（L•min）；＜；
②K=$\frac{0.4}{0.1×0.2{\;}^{2}}$=100，故答案為：100；
③根據(jù)以上三段式計(jì)算得，甲醇從反應(yīng)開始到5min達(dá)平衡，濃度由0增大到0.4mol/L，所以甲醇的物質(zhì)的量濃度隨時間的變化曲線為，故答案為：；
④A．達(dá)到平衡時，移走部分甲醇，平衡將向右移動，反應(yīng)物濃度減小，正反應(yīng)速率減小，故A錯誤；
B．反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，縮小容器的體積，壓強(qiáng)增大，平衡將向右移動，但c（CO）將變大，故B正確；
C．催化劑對正逆反應(yīng)速率影響程度相同，在相同的條件下，若使用甲催化劑能使正反應(yīng)速率加快10⁵倍，使用乙催化劑能使逆反應(yīng)速率加快10⁸倍，則應(yīng)該選用乙催化劑，故C正確；
D．若保持平衡時的溫度和壓強(qiáng)不變，再向容器中充入0.8molCO和0.6mol CH₃OH，濃度商Q=$\frac{0.4+\frac{0.6}{2}}{（0.1+\frac{0.8}{2}）×0.2{\;}^{2}}$=35＜K，平衡正向進(jìn)行，則此時v_正＞v_逆 ，故D正確；
故答案為：A；
（3）方法二生產(chǎn)甲醇消耗二氧化碳，有效控制溫室效應(yīng)，所以應(yīng)更具前景，故答案為：減小二氧化碳的排放，有效控制溫室效應(yīng)；
（4）根據(jù)圖1、圖2可知，不受空速影響的合適反應(yīng)溫度為320℃、壓強(qiáng)在0.2-0.6Mpa，
故答案為：320℃、0.2-0.6Mpa；
（5）設(shè)冷凝液總質(zhì)量為mg，水的物質(zhì)的量為：$\frac{m•C{\;}_{W}}{18}$mol，甲醇的物質(zhì)的量為：$\frac{m•C{\;}_{M}}{32}$mol，
根據(jù)反應(yīng)2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）可知，生成$\frac{m•C{\;}_{W}}{18}$mol水，需要消耗甲醇的物質(zhì)的量為：2×$\frac{m•C{\;}_{W}}{18}$mol，
甲醇的轉(zhuǎn)化率為：x_M=$\frac{\frac{2m•{C}_{w}}{18}}{\frac{2m{•C}_{w}}{18}+\frac{m•{C}_{M}}{32}}$=$\frac{32C{\;}_{W}}{32C{\;}_{W}+9C{\;}_{M}}$，
故答案為：$\frac{32C{\;}_{W}}{32C{\;}_{W}+9C{\;}_{M}}$；

點(diǎn)評 本題考查了熱化學(xué)方程式書寫方法，化學(xué)平衡影響因素分析，平衡計(jì)算理解應(yīng)用，平衡常數(shù)、反應(yīng)速率概念的計(jì)算分析，化學(xué)方案的評價，題目比較綜合，充分考查學(xué)生的分析、理解能力，難度稍大．