Question

12．甲烷廣泛存在于天然氣、沼氣、煤礦坑氣之中，是優(yōu)質(zhì)的氣體燃料，更是制造許多化工產(chǎn)品的重要原料．
Ⅰ．制取氫氣
已知：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1
CH₄（g）+CO₂（g）?2CO（g）+2H₂（g）△H=+247.4kJ•mol^-1
（1）請寫出CH₄（g）與H₂O（g）反應生成CO₂（g）和H₂（g）的熱化學方程式CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1
（2）若將0.1mol CH₄和0.1mol H₂O（g）通入體積為10L的密閉容器里，在一定條件下發(fā)生反應：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖
①已知100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示的平均反應速率0.003mol/（L．min）；
②該反應的化學平衡常數(shù)6.75×10^-4（mol/L）²；
③圖中的p₁＜p₂（填“＜”、“＞”或“=”）；
Ⅱ．制備甲醇
（3）在壓強為0.1MPa條件下，將a mol CO與3amol H₂的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0．若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是BC
A．升高溫度     B．再充入1mol CO和3mol H₂   C．將CH₃OH（g）從體系中分離
D．充入He，使體系總壓強增大                 E．使用更高效的催化劑
Ⅲ．合成乙酸
（4）甲烷直接合成乙酸具有重要的理論意義和應用價值．光催化反應技術(shù)使用CH₄和CO₂（填化學式）直接合成乙酸，且符合“綠色化學”的要求（原子利用率100%）．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律解答，從待求反應出發(fā)分析反應物生成物在所給反應中的位置，通過相互加減可得；
（2）①根據(jù)圖象判斷100℃時甲烷的轉(zhuǎn)化率，根據(jù)反應方程式及甲烷的物質(zhì)的量計算出生成氫氣的物質(zhì)的量，再根據(jù)反應速率的表達式計算出用H₂表示該反應的平均反應速率；
②根據(jù)平衡常數(shù)的計算公式計算；
③轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強圖象有三個變量，采用“定一議二”方法判斷壓強大�。�
（3）根據(jù)化學平衡移動原理，增加甲醇產(chǎn)率，使化學平衡正向移動即可；
（4）加成反應的原子利用率100%，再結(jié)合原子守恒推斷化學式．

解答 解：（1）①CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H=206.2kmol^-1
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H=247.4kJmol^-1
由蓋斯定律，①×2-②得：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1，
故答案為：CH₄（g）+2H₂O（g）═CO₂（g）+4H₂（g）△H=+165.0kmol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
                     CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0         2.0               0         0
變化量（mol）：0.5         0.5               0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5         1.5               0.5      1.5
①假設(shè)100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應的平均反應速率=$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.0030mol•L^-1•min^-1； 
②該反應的化學平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{（\frac{0.5mol}{10L}）×（\frac{1.5mol}{10L}）^{3}}{（\frac{0.5mol}{10L}）×（\frac{1.5mol}{10L}）}$=6.75×10^-4（mol/L）²，故答案為：6.75×10^-4（mol/L）²；
③通過圖表可知當溫度相同時，p₂→p₁時，甲烷的轉(zhuǎn)化率提高，平衡向正向移動，正向為氣體系數(shù)增大的反應，根據(jù)減小壓強平衡向系數(shù)增大的方向移動可知：p₁＜p₂，故答案為：＜；
（3）A．該反應是放熱的，升高溫度，平衡逆向進行，會減小甲醇產(chǎn)率，故A錯誤；
B．再充入1mol CO和3molH₂，增大壓強，平衡右移，有利提高甲醇的產(chǎn)率，故B正確；
C．將CH₃OH（g）從體系中分離，會促使平衡正向移動，提高甲醇的產(chǎn)率，故C正確；
D．充入He，使體系總壓強增大，體積不變，各組分濃度不變，所以平衡不會移動，不會改變甲醇產(chǎn)率，故D錯誤；
E．使用催化劑能改變反應速率，但平衡不移動，故E錯誤；
故選BC；
（4）利用加成反應可以使原子利用率100%，現(xiàn)有甲烷（CH₄）與另一種化合物發(fā)生加成反應生成CH₃COOH，根據(jù)原子守恒可知另一物質(zhì)為CO₂，故答案為：CO₂．

點評 本題考查化學反應速率、平衡常數(shù)、化學平衡計算、化學平衡的影響因素及讀圖能力等，綜合性較大，難度中等，知識面廣，應加強平時知識的積累．注意控制變量法與定一議二原則應用．