Question

13．在2014年國家科學技術獎勵大會上，甲醇制取低碳烯烴技術（DMTO）獲國家技術發(fā)明獎一等獎．DMTO主要包括煤的氣化、液化、烯烴化三個階段．
（1）煤的氣化：用化學方程式表示出煤的氣化的主要反應C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂：
（2）煤的液化：下表中有些反應是煤液化過程中的反應：

熱化學方程式	平衡常數
	500℃	700℃
①2H2（g）+CO（g）?CH3OH（g）△H1=a kJ•mol-1	2.5	0.2
②H2（g）+CO2（g）?H2O（g）+CO（g）△H2=b kJ•mol-1	1.0	2.3
③3H2（g）+CO2 （g）?CH3OH（g）+H2O（g）△H3=c kJ•mol-1	K3	4.6

①a＜0（填“＞”、“＜”、“=”），c與a、b之間的定量關系為c=a+b．
②K₃=2.5，若反應③是在容積為2L的密閉容器巾進行（500℃）的，測得某一時刻體系內H₂、CO₂、CH₃OH、H₂O物質的量分別為6mol、2mol、10mol、10mol，則此時CH₃OH的生成速率＞（填“＞”、“＜”、“=”） CH₃OH的消耗速率．
（3）烯烴化階段：如圖l是某工廠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為盡可能多地獲得乙烯，控制的生產條件為530℃、0.1Mpa．
②一定溫度下某密閉容器中存在反應，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t₀ 時刻，測得甲醇的體積分數為10%，此時甲醇乙烯化的轉化率為85.7%（保留三位有效數字），若在t₁ 時刻將容器容積快速擴大到原來的2倍，請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．

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，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式得到abc的關系；
②反應①②的平衡常數表達式相乘得到反應③的平衡常數，K₃=$\frac{c（C{H}_{3}OH）×c（{H}_{2}O）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$=$\frac{c（CO）×c（{H}_{2}O）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$，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小．
（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；
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；
依據蓋斯定律計算①2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H₁=a kJ•mol^-1
②H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H₂=b kJ•mol^-1
用①+②就可得③的熱化學方程式：3H₂（g）+CO₂ （g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃=（a+b）KJ/mol=c kJ•mol^-1，得到c=a+b；
故答案為：＜；c=a+b；
②反應①②的平衡常數相乘得到反應③的平衡常數K₃=$\frac{c（C{H}_{3}OH）c（{H}_{2}O）}{{c}^{3}（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}$×$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{2}（{H}_{2}）×c（CO）}$=$\frac{c（CO）×c（{H}_{2}O）}{c（{H}_{2}）×c（C{O}_{2}）}$=2.5×1=2.5，
若反應③是在容積為2L的密閉容器巾進行（500℃）的，測得某一時刻體系內H₂、CO₂、CH₃OH、H₂O物質的量分別為6mol、2mol、10，mol、10mol，易求得Qc=$\frac{\frac{10}{2}×\frac{10}{2}}{（\frac{6}{2}）^{3}×\frac{2}{2}}$=$\frac{25}{27}$＜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：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%
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，平衡計算應用，圖象的方法判斷，熱化學方程式的計算書寫，注意平衡常數的計算應用，掌握基礎是解題關鍵，題目難度中等．