Question

14．甲醇來源豐富、價(jià)格低廉、運(yùn)輸貯存方便，是一種重要的化工原料，有著重要的用途和應(yīng)用前景．工業(yè)生產(chǎn)甲醇的常用方法是：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8 kJ•mol^-1
（1）已知：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O （l）△H=-571.6 kJ•mol^-1
H₂（g）+1/2O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
 則CH₃OH（g）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（g）的反應(yīng)熱△H=-392.8kJ•mol^-1．
（2）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容積為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），測得在一定的壓強(qiáng)下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖1．
①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5 min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率為0.003 mol•L^-1•min^-1．
②100℃時(shí)反應(yīng)的平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
（3）工業(yè)上利用甲醇制備氫氣的常用方法有兩種：
①甲醇蒸汽重整法．該法中的一個主要反應(yīng)為CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行的原因是該反應(yīng)是一個熵增的反應(yīng)．
②甲醇部分氧化法．在一定溫度下以Ag/CeO₂-ZnO為催化劑時(shí)原料氣比例對反應(yīng)的選擇性（選擇性越大，表示生成的該物質(zhì)越多）影響關(guān)系如圖2所示．則當(dāng)n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25時(shí)，CH₃OH與O₂發(fā)生的主要反應(yīng)方程式為2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化劑}$2HCHO+2H₂O；在制備H₂時(shí)最好控制n（O₂）：n（CH₃OH）=0.5．

Answer 1

分析 （1）已知：①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H=-571.6 kJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8 kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②×2-③可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）；
（2）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容積為100L的反應(yīng)室，100℃時(shí)5min達(dá)到平衡，平衡時(shí)甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的甲烷為0.5mol，則：
            CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）：1        2       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根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
②根據(jù)K=$\frac{c（CO）×c{\;}^{3}（H{\;}^{2}）}{c（CH{\;}_{4}）×c（H{\;}_{2}O）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
（3）①正反應(yīng)氣體物質(zhì)的量增大，混亂度增大，混亂度增大具有自發(fā)性；
②由圖可知，當(dāng)$\frac{n（O{\;}_{2}）}{n（CH{\;}_{3}OH）}$=0.25時(shí)，氫氣、CO選擇性比較小，而HCHO的選擇性很大，故主要生成HCHO，結(jié)合C、H原子比例關(guān)系，應(yīng)還有水生成；
制備H₂時(shí)最好，應(yīng)控制氫氣選擇性很大，CO、HCHO選擇性很小．

解答 解：（1）已知：①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H=-571.6 kJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8 kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，②×2-③可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g），故△H=2×（-241.8kJ•mol^-1）-（-90.8kJ•mol^-1）=-392.8kJ•mol^-1，
故答案為：-392.8；
（2）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容積為100L的反應(yīng)室，100℃時(shí)5min達(dá)到平衡，平衡時(shí)甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，則轉(zhuǎn)化的甲烷為0.5mol，則：
            CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）：1        2       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則v（H₂）=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②100℃時(shí)反應(yīng)的平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）×c{\;}^{3}（H{\;}^{2}）}{c（CH{\;}_{4}）×c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.005×0.015{\;}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
（3）①正反應(yīng)氣體物質(zhì)的量增大，該反應(yīng)是一個熵增的反應(yīng)，反應(yīng)能自發(fā)進(jìn)行，
故答案為：該反應(yīng)是一個熵增的反應(yīng)；
②由圖可知，當(dāng)$\frac{n（O{\;}_{2}）}{n（CH{\;}_{3}OH）}$=0.25時(shí)，氫氣、CO選擇性比較小，而HCHO的選擇性很大，故主要生成HCHO，結(jié)合C、H原子比例關(guān)系，應(yīng)還有水生成，反應(yīng)方程式為：2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化劑}$2HCHO+2H₂O；
制備H₂時(shí)最好，應(yīng)控制氫氣選擇性很大，CO、HCHO選擇性很小，由圖可知在制備H₂時(shí)最好控制$\frac{n（O{\;}_{2}）}{n（CH{\;}_{3}OH）}$=0.5，
故答案為：2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化劑}$2HCHO+2H₂O；0.5．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、反應(yīng)熱計(jì)算、反應(yīng)自發(fā)性、化學(xué)圖象問題等，是對學(xué)生綜合能力的考查，較好地考查學(xué)生分析計(jì)算能力、獲取信息能力，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)，難度中等．