Question

4．天然氣是一種重要的清潔能源和化工原料，其主要成分為甲烷．
（1）工業(yè)上可用煤制天然氣，生產(chǎn)過程中有多種途徑生成CH₄．
已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
則CO與H₂反應(yīng)生成CH₄（g）和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式為CO （g）+3H₂（g）═CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1．
（2）天然氣中的H₂S雜質(zhì)常用氨水吸收，產(chǎn)物為NH₄HS．一定條件下向NH₄HS溶液中通入空氣，得到單質(zhì)硫并再生出吸收液，則該反應(yīng)的化學(xué)方程式為2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）天然氣的一個(gè)重要用途是制取H₂，其原理為：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．在密閉容器中通入物質(zhì)的量濃度均為0.1mol•L^-1的CH₄與CO₂，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)，測(cè)得CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度及壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1所示，則壓強(qiáng)P₁＜P₂（填“＞”或“＜”）；壓強(qiáng)為P₂時(shí)，在Y點(diǎn)：v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）；寫出X點(diǎn)對(duì)應(yīng)溫度下的該反應(yīng)的平衡常數(shù)計(jì)算式K=$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$（不必計(jì)算出結(jié)果）．

（4）以二氧化鈦表面覆蓋CuAl₂O₄為催化劑，可以將CH₄和CO₂直接轉(zhuǎn)化成乙酸．
①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖2所示．在275～400℃之間，乙酸的生成速率先降低后升高的原因是溫度在275^°C升至300^°C時(shí)，達(dá)平衡后催化劑催化效率降低的因素超過了溫度升高使速率增大的因素，所以乙酸生成速率降低；當(dāng)溫度由300^o升至400^oC時(shí)，溫度升高使反應(yīng)速率增大的因素超過了催化劑催化效率降低的因素，所以乙酸的生成速率又增大．
②為了提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，可以采取的措施是增大反應(yīng)壓強(qiáng)或增大CO₂的濃度（寫一條）．
③乙酸（用HAc表示）電離方程式為HAc?H⁺+Ac^-，電離常數(shù)用K_a表示；乙酸根的水解方程式為Ac^-+H₂O?OH^-+HAc，水解常數(shù)用K_h表示，則K_h=$\frac{Kw}{Ka}$（用K_a和水的離子積K_W表示）．

Answer 1

分析 （1）①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算，②+③-①得到CO與H₂反應(yīng)生成CH₄（g）和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)元素守恒和電子得失守恒寫出化學(xué)方程式；
（3）溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小；
Y點(diǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率小于同溫同壓下平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率，故Y點(diǎn)向正反應(yīng)進(jìn)行建立平衡；
溫度為1100℃，壓強(qiáng)為P₂時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，則平衡時(shí)甲烷濃度變化量為0.1mol•L^-1×70%=0.1mol，計(jì)算平衡時(shí)各組分濃度，代入K=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
（4）①由圖可知，溫度超過275～300℃時(shí)，催化劑的催化效率降低，所以溫度升高而乙酸的生成速率降低；300～400℃時(shí)溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率加快；
②提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，改變條件應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，注意不能只增大甲烷的濃度，否則甲烷的轉(zhuǎn)化率降低；
③寫出醋酸電離平衡常數(shù)、醋酸根離子水解平衡常數(shù)，水的離子積常數(shù)進(jìn)行比較，從而得出結(jié)論．

解答 解：（1）（1）①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
依據(jù)蓋斯定律計(jì)算，②+③-①得到CO與H₂反應(yīng)生成CH₄（g）和H₂O（g）的熱化學(xué)方程式為：CO（g）+3H₂（g）?CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
故答案為：CO （g）+3H₂（g）═CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
（2）根據(jù)元素守恒及題中的反應(yīng)物和生成物可知化學(xué)方程式為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓，
故答案為：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定條件\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，故壓強(qiáng)P₁＜P₂；Y點(diǎn)甲烷轉(zhuǎn)化率小于同溫同壓下平衡時(shí)轉(zhuǎn)化率，故Y點(diǎn)向正反應(yīng)進(jìn)行建立平衡，則v（正）＞v（逆）；溫度為1100℃，壓強(qiáng)為P₂時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為80%，則平衡時(shí)甲烷濃度變化量為0.1mol•L^-1×80%=0.08mol，則：
          CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），
開始  0.1              0.1               0                0
轉(zhuǎn)化 0.08           0.08             0.16            0.16
平衡 0.02           0.02             0.16            0.16
故平衡常數(shù)K=$\frac{{c}^{2}（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}{c（C{O}_{2}）c（C{H}_{4}）}$=$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$
故答案為：＜；＞；$\frac{0.1{6}^{2}×0.1{6}^{2}}{0.02×0.02}$；
（4）①在不同溫度下催化劑的催化效率與乙酸的生成速率如圖2所示．在275～400℃之間，乙酸的生成速率先降低后升高的原因是：溫度在275^°C升至300^°C時(shí)，達(dá)平衡后催化劑催化效率降低的因素超過了溫度升高使速率增大的因素，所以乙酸生成速率降低；當(dāng)溫度由300^o升至400^oC時(shí)，溫度升高使反應(yīng)速率增大的因素超過了催化劑催化效率降低的因素，所以乙酸的生成速率又增大，
故答案為：溫度在275^°C升至300^°C時(shí)，達(dá)平衡后催化劑催化效率降低的因素超過了溫度升高使速率增大的因素，所以乙酸生成速率降低；當(dāng)溫度由300^o升至400^oC時(shí)，溫度升高使反應(yīng)速率增大的因素超過了催化劑催化效率降低的因素，所以乙酸的生成速率又增大；
②提高該反應(yīng)中CH₄的轉(zhuǎn)化率，改變條件應(yīng)使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，縮小容器體積增大壓強(qiáng)、增大CO₂的濃度，平衡正向移動(dòng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大，
故答案為：增大反應(yīng)壓強(qiáng)或增大CO₂的濃度；
③電離方程式為HAc?H⁺+Ac^-，電離常數(shù)用Ka=$\frac{c（A{c}^{-}）c（{H}^{+}）}{c（HAc）}$，乙酸根的水解方程式為Ac^-+H₂O?OH^-+HAc，水解常數(shù)用K_h=$\frac{c（HAc）c（O{H}^{-}）}{c（A{c}^{-}）}$，Kw=c（H⁺）．c（OH^-），${K_h}=\frac{{c（O{H^-}）•c（HAc）}}{{c（A{c^-}）•c（{H_2}O）}}=\frac{{c（O{H^-}）•c（HAc）}}{{c（A{c^-}）•c（{H_2}O）}}•\frac{{c（{H^+}）}}{{c（{H^+}）}}=\frac{{c（O{H^-}）•c（{H^+}）}}{{c（{H_2}O）}}•\frac{c（HAc）}{{c（A{c^-}）•c（{H^+}）}}=\frac{K_W}{K_a}$，
故答案為：$\frac{Kw}{Ka}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了蓋斯定律的應(yīng)用、方程式的書寫、化學(xué)平衡常數(shù)、平衡移動(dòng)等，題目涉及的知識(shí)點(diǎn)較多，側(cè)重于考查學(xué)生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)的綜合應(yīng)用能力，題目難度中等．