Question

【題目】合成氣是H2和CO的混合氣體，工業(yè)上可以用于合成氨、生產低級醇等，請回答下列相關問題。

(1)sparg工藝是生產合成氣的方法之一，該方法可將甲烷和二氧化碳在高溫下轉化為H2和CO，該反應的化學方程式為___________。

(2)工業(yè)生產中用合成氣合成乙醇的反應為2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g) △H=akJ/mol①生產過程中會發(fā)生副反應2CO(g)+3H2(g)CH3CHO(g)+H2O(g) △H=b kJ/mol②

又已知2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) △H=ckJ/mol③

則C2H5OH(g)催化氧化生成CH3CHO(g)和水蒸氣的熱化學方程式為__________________。

(3)向2L的恒溫恒容密閉容器中充入4 molCO和6molH2，若只發(fā)生反應①，達平衡時容器中壓強是起始壓強的0.6倍，則CO的平衡轉化率為___________，該溫度下反應①的平衡常數(shù)等于___________。下列選項不能證明反應①達到平衡狀態(tài)的是___________(填標號)。

A.混合氣體的平均分子量不再改變

B混合氣體的密度不再改變

C.CO和H2的物質的量之比不再改變

D.每斷開4 molH－H鍵的同時斷開3 mol H－O鍵

(4)以醋酸為溶劑，甲醇與合成氣可以轉化為乙醇，同時會生成醚類、酯類等副產物，下圖是醋酸與甲醇的質量比對生產的影響，則工業(yè)生產中醋酸與甲醇的最佳質量比是___________。隨著醋酸和甲醇的質量比增大，一定范圍內甲醇的轉化率升高而醚類選擇性降低的原因可能是___________(從平衡移動角度解釋)。

Answer 1

【答案】CH4+CO22CO+2H2 2C2H5OH(g)+O2(g) 2CH3CHO(g)+2H2O(g) △H=(2b+c-2a)kJ/mol 50% 0.25 B 2 生產中會發(fā)生酯化反應，隨著醋酸濃度的增加酯化反應平衡右移（答案合理即可）

【解析】

(1)甲烷和二氧化碳在高溫下轉化為H2和CO，以此書寫化學方程式；

(2)根據蓋斯定律②×2+ ③ -① ×2得 2C2H5OH(g)+O2(g) 2CH3CHO(g)+2H2O(g) 計算△H，寫出熱化學方程式；

(3)列出三段式，根據平衡時容器中壓強是起始壓強的0.6倍，求出平衡時各物質的濃度，進而求出CO的平衡轉化率和平衡常數(shù)；根據達到化學平衡時正反應速率等于逆反應速率，有關各變量不變分析是否達到平衡狀態(tài)；

(4)由圖分析醋酸與甲醇的最佳質量比；生產中會發(fā)生酯化反應，隨著醋酸濃度的增加酯化反應平衡右移。

(1)甲烷和二氧化碳在高溫下轉化為H2和CO，化學方程式為CH4+CO22CO+2H2；

因此，本題正確答案為：CH4+CO22CO+2H2；

(2) 2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g) △H=akJ/mol①

2CO(g)+3H2(g)CH3CHO(g)+H2O(g) △H=b kJ/mol②

2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) △H=ckJ/mo③

根據蓋斯定律②×2+ ③ -① ×2得 2C2H5OH(g)+O2(g) 2CH3CHO(g)+2H2O(g) △H=(2b+c-2a)kJ/mol，

因此，本題正確答案為：2C2H5OH(g)+O2(g) 2CH3CHO(g)+2H2O(g) △H=(2b+c-2a)kJ/mol；

(3)列出三段式，設轉化的CO的物質的量為2xmol，則

2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g)

起始(mol) 4 6 0 0

變化(mol) 2x 4x x x

平衡(mol) 4-2x 6-4x x x

平衡時容器中壓強是起始壓強的0.6倍，則=0.6，解得x=1，

則CO的平衡轉化率為×100%=50%；

平衡時，CO、H2、C2H5OH、H2O的濃度分別為：1mol/L、1mol/L、0.5mol/L、0.5mol/L，

平衡常數(shù)K===0.25，

反應①：2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g)，

A項，反應前后氣體物質量發(fā)生變化，因此平均分子量不變說明氣體總物質的量不再改變，體系達到平衡狀態(tài)；

B項，由于該體系是純氣體且容器體積不變，因此無論體系是否達到平衡狀態(tài)混合氣體的密度始終保持不變；

C項，CO和H2的起始物質的量之比為2：3，不等于化學計量數(shù)之比，因此只有達到平衡狀態(tài)后二者的物質的量之比才不再改變；

D項，斷開4 molH－H鍵說明消耗4mol氫氣，斷開3 mol H－O鍵說明消耗1mol乙醇和1mol水蒸氣（乙醇和水中均含有H-O鍵），正逆反應速率相等，體系達到平衡狀態(tài)。答案選B。

因此，本題正確答案為：50%；0.25；B；

(4)由圖可知，醋酸與甲醇的質量比為2時甲醇的轉化率和乙醇的選擇性最高，同時醚類的選擇性最低，為最佳質量比；生產中會發(fā)生酯化反應，隨著醋酸濃度的增加酯化反應平衡右移，故一定范圍內甲醇的轉化率升高而醚類選擇性降低，

因此，本題正確答案為：2；生產中會發(fā)生酯化反應，隨著醋酸濃度的增加酯化反應平衡右移。