Question

【題目】甲醛(HCHO)是一種重要的化工產(chǎn)品，工業(yè)上可用甲醇脫氫法制備，相關(guān)反應(yīng)方程式為：CH3OH(g) HCHO(g)+H2(g) △H=+akJ/mol回答下列問題：

(1)反應(yīng)過程中需要向體系中通入空氣，通過以下反應(yīng)提供上述反應(yīng)所需要的熱量：H2(g)+O2(g)=H2O(g) △H=-bkJ/mol

要使反應(yīng)溫度維持在650℃，則進料時，甲醇和空氣的體積比應(yīng)為___(已知空氣中氧氣的體積分數(shù)為20%，b>a)。

(2)Na2CO3是甲醇脫氫制甲醛的催化劑，有研究指出，催化反應(yīng)的部分機理如下：

歷程i：CH30H→H+CH2OH(H叫做氫自由基，實際上就是H原子，有很高的反應(yīng)活性，

“”代表有一個單電子可以參與配對成鍵)

歷程ii：CH2OH→H+HCHO

歷程iii：CH2OH→3H+CO

歷程iv：自由基發(fā)生碰撞形成新化學(xué)鍵而湮滅

如圖1所示為在體積為2L的恒容容器中，投入1molCH3OH(g)，在碳酸鈉催化劑作用下開始反應(yīng)，20min后，測得甲醇的轉(zhuǎn)化率(X)與甲醛的選擇性(S)與溫度的關(guān)系(副反應(yīng)僅考慮CH3OHCO+2H2)：

①請在圖2所給坐標中，畫出歷程iv的反應(yīng)過程一能量變化示意圖___。

②下列說法合理的是__。

a.升高溫度，甲醇轉(zhuǎn)化率提高，平衡常數(shù)變大

b.當體系氣體密度保持不變時，達到平衡狀態(tài)

c.及時分離產(chǎn)品有利于提高甲醇生成甲醛的轉(zhuǎn)化率

③600℃時，前20min甲醇的平均反應(yīng)速率為__，此時生成甲醛的反應(yīng)的Qp=___（Qp的表達式與平衡常數(shù)Kp相同，p為物質(zhì)的分壓，分壓=總壓×物質(zhì)的量分數(shù)，體系初始壓強為P0）

④650℃以后，甲醛的選擇性降低，而甲醇的轉(zhuǎn)化率升高的可能原因是___。

(3)氧化劑可處理甲醛污染，結(jié)合以下圖像分析夏季(水溫約20℃)應(yīng)急處理甲醛污染的水源最好應(yīng)選擇的試劑為____。

Answer 1

【答案】 ac 0.01375mol/(L·min) 0.56P0 溫度升高，平衡正向移動，甲醇轉(zhuǎn)化率升高，但由于溫度高于650℃后，催化甲醛生成的催化劑催化能力降低，因此甲醛選擇性下降 Ca(ClO)2

【解析】

此題利用工業(yè)上制備甲醛方法綜合考查化學(xué)反應(yīng)原理，考點涉及熱量，化學(xué)平衡移動，催化反應(yīng)歷程，考查圖像解讀能力和計算能力。

(1)要使反應(yīng)溫度維持在650℃，應(yīng)保證放熱反應(yīng)放出的熱量恰好被吸熱反應(yīng)全部利用，則甲醇與氧氣的物質(zhì)的量之比為，相同條件下，物質(zhì)的量之比等于體積比，故甲醇與氧氣的體積之比為，空氣中氧氣的體積分數(shù)為20%，則甲醇與空氣的體積之比為；

(2)①歷程iv：自由基發(fā)生碰撞形成新化學(xué)鍵而湮滅,自由基具有很高的能量，在形成新化學(xué)鍵時能量降低，且隨著不斷形成新化學(xué)鍵，自由基濃度減小，能量減低速率減慢，故能量變化示意圖為；

②a.根據(jù)圖Ⅰ可知，隨著溫度的升高，甲醇的轉(zhuǎn)化率也在逐漸升高，說明反應(yīng)往正向進行的程度在增大，K增大，a正確；

b.氣體密度= ，在恒容容器中，總體積保持不變，氣體總質(zhì)量守恒，故氣體密度始終不變，不能作為平衡判據(jù)，b錯誤；

c.及時分離產(chǎn)品，平衡將向正向移動，有利于提高甲醇生成甲醛的轉(zhuǎn)化率，c正確；

故合理的為ac；

③600℃、20min時甲醇的轉(zhuǎn)化率為55%，則Δn=0.55mol，平均反應(yīng)速率v===0.01375 mol/(L·min)，此時甲醛的選擇性為60%，則主反應(yīng)CH3OH(g)HCHO(g)+H2(g)，得到n1(H2)=n(HCHO)=0.55mol×60%=0.33mol，副反應(yīng)CH3OHCO+2H2，得到n2(H2)=2n(CO)=2×0.55mol×(1-60%)=0.44mol，n(H2)= n1(H2)+ n2(H2)=0.77mol，在溫度一定體積一定的條件下，壓強之比等于物質(zhì)的量之比，甲醛Qp= === 0.56P0；

④溫度升高，平衡正向移動，甲醇轉(zhuǎn)化率升高，但由于溫度高于650℃后，催化甲醛生成的催化劑能力降低，因此甲醛選擇性下降；

(3)由圖像可知，夏季(水溫約20℃)時甲醛去除率最高的是Ca(ClO)2，故最好應(yīng)選擇的試劑為Ca(ClO)2。