Question

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
以甲烷為原料制取氫氣是工業(yè)上常用的制氫方法
（1）請寫出CH₄（g）與H₂O（g）反應(yīng)生成CO₂（g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式

 

（2）若將0.1molCH₄和0.2molH₂O（g）通入體積為10L的密閉容器里，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O?CO（g）+3H₂（g），CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖

①已知100℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H2表示的平均反應(yīng)速率為
②圖中的p₁

 

p₂（填“＜”、“＞”或“=”）
（3）若在100℃，p₁壓強(qiáng)下，將xmolCH₄，0.75molH₂O（g）、0.025molCO、0.075molH₂通入體積為10L的密閉容器里，一段時間后達(dá)到平衡時，CH₄的轉(zhuǎn)化率仍為（2）相同，則x=

 

mol
Ⅱ．制備甲醇
（4）在壓強(qiáng)為0.1Mpa條件下，將amolCO 與3molH₂的混合氣體在催化作用下能自發(fā)反應(yīng)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

 

A．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大 
B．在充入1molCO和3molH₂
C．升高溫度
D．將CH₃OH（g）從體系中分離出來
E．使用更高效的催化劑
Ⅲ．合成乙酸．
（5）甲烷直接合成乙酸具有重要的理論意義和應(yīng)用價值，光催化反應(yīng)技術(shù)使用CH₄和

 

（填化學(xué)式）直接合成乙酸，且符合“綠色化學(xué)”的要求（原子利用率100%），若室溫下降amol?L^-1的乙酸溶液和bmol?L^-1，Ba（OH）₂溶液等體積混合，恢復(fù)室溫后2c（Ba²⁺）=c（CH₃COO^-），請用含a和b的代數(shù)式表示混合溶液中乙酸的電離平衡常數(shù)K_a=

 

．

Answer 1

考點：熱化學(xué)方程式,化學(xué)平衡的影響因素,化學(xué)平衡的計算

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）利用蓋斯定律解答，從待求反應(yīng)出發(fā)分析反應(yīng)物生成物在所給反應(yīng)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(yīng)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(yīng)速率的表達(dá)式計算出用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率；
②轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)圖象有三個變量，采用“定一議二”方法判斷壓強(qiáng)大小；
（3）根據(jù)投料相等即轉(zhuǎn)化率相等，結(jié)合極限轉(zhuǎn)化法計算；
（4）根據(jù)化學(xué)平衡移動原理，增加甲醇產(chǎn)率，使化學(xué)平衡正向移動即可；
（5）加成反應(yīng)的原子利用率100%，根據(jù)電荷守恒判斷c（CH₃COO^-）=2c（Ba²⁺）=bmol/L，再根據(jù)物料守恒計算出c（CH₃COOH）；
根據(jù)電荷守恒可得c（OH^-）=c（H⁺），溶液顯示中性；根據(jù)醋酸的電離平衡常數(shù)表達(dá)式及溶液中醋酸、醋酸根離子和氫離子濃度進(jìn)行計算．

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(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)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(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率=

1.5mol 100L

5min

=0.003 mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.0030mol?L^-1?min^-1； 
②通過圖表可知當(dāng)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(yīng)，根據(jù)減小壓強(qiáng)平衡向系數(shù)增大的方向移動可知：p₁＜p₂；故答案為：＜；
（3）CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）
初始量：xmol    0.75mol    0.025mol 0.075mol
極限轉(zhuǎn)化：x+0.025   0.75+0.025   0       0
則x+0.025=0.1，所以x=0.075mol，故答案為：0.075mol；
（4）A．充入He，使體系總壓強(qiáng)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，故錯誤；
B．再充入1mol CO和3molH₂，增大壓強(qiáng)，平衡右移，有利提高甲醇的產(chǎn)率，故正確；
C．該反應(yīng)是放熱的，升高溫度，平衡逆向進(jìn)行，會減小甲醇產(chǎn)率，故錯誤；
D．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，故正確；
故選BD．
（5）由于混合液為中性，則c（OH^-）=c（H⁺），根據(jù)電荷守恒可得c（CH₃COO^-）=2c（Ba²⁺）=bmol/L，則溶液中醋酸的濃度為：c（CH₃COOH）=0.5amol/L-c（CH₃COO^-）=（0.5a-b）mol/L；
反應(yīng)平衡時溶液中c（CH₃COO^-）=2c（Ba²⁺）=bmol/L，根據(jù)電荷守恒可得c（OH^-）=c（H⁺），所以溶液顯示中性，常溫下的中性溶液中c（OH^-）=c（H⁺）=10^-7mol/L，
醋酸的電離平衡常數(shù)為：K=

c(H+)?c(CH3COO-)

c(CH3COOH)

=

10-7×b

0.5a-b

=

2b×10-7

a-2b

．
故答案為：

2b×10-7

a-2b

．

點評：本題考查化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、化學(xué)平衡計算、化學(xué)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(yīng)加強(qiáng)平時知識的積累．注意控制變量法與定一議二原則應(yīng)用．