Question

4．甲醇是一種重要的化工原料，廣泛應(yīng)用于化工生產(chǎn)，也可以直接用作燃料．
（1）工業(yè)上可通過CO和H₂化合來制備甲醇．已知某些化學(xué)鍵的鍵能數(shù)據(jù)如表：

化學(xué)鍵	C-C	C-H	H-H	C-O	C≡O(shè)	H-O
鍵能/kJ•mol-1	348	413	436	358	1072	463

工業(yè)通過CO和H₂化合來制備甲醇的熱化學(xué)方程式為CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1；
（2）工業(yè)上由甲醇制取甲醛的兩種方法如下（有關(guān)數(shù)據(jù)均為在298K時(shí)測定）：
反應(yīng)Ⅰ：CH₃OH（g）═HCHO（g）+H₂（g）△H₁=+92.09kJ/mol，K₁=3.92×10^-11
反應(yīng)Ⅱ：CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═HCHO（g）+H₂O（g）△H₂=-149.73kJ/mol，K₂=4.35×10²⁹
從原子利用率看，反應(yīng)Ⅰ（填“Ⅰ”或“Ⅱ”．下同）制甲醛的原子利用率更高．從反應(yīng)的焓變和平衡常數(shù)K值看，反應(yīng)Ⅱ制甲醛更有利．
（3）工業(yè)廢氣二氧化碳催化加氫也可合成甲醇：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H．在密閉容器中投入1molCO₂和2.75molH₂，在不同條件下發(fā)生反應(yīng)，實(shí)驗(yàn)測得平衡時(shí)甲醇的物質(zhì)的量隨溫度、壓強(qiáng)的變化如圖所示．
①二氧化碳合成甲醇正反應(yīng)的△H＜0 （填“＞”、“＜”或“=”，下同）．
②M、N兩點(diǎn)時(shí)化學(xué)反應(yīng)速率：v（N）＜v（M）．
③為提高CO₂的轉(zhuǎn)化率除可改變溫度和壓強(qiáng)外，還可采取的措施是增大氫碳比．
④圖中M點(diǎn)時(shí)，容器體積為10L，則N點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)K=1.04（填數(shù)值，保留2位小數(shù)）．
（4）一定條件下，向容積不變的某密閉容器中加入a molCO₂和b molH₂發(fā)生反應(yīng)：CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），欲使整個(gè)反應(yīng)過程中CO₂的體積分?jǐn)?shù)為恒定值，則a與b的關(guān)系是a=b．

Answer 1

分析 （1）依據(jù)化學(xué)反應(yīng)焓變=反應(yīng)物鍵能總和-生成物鍵能總和計(jì)算，標(biāo)注物質(zhì)聚集狀態(tài)和對(duì)應(yīng)反應(yīng)的焓變寫出熱化學(xué)方程式；
（2）根據(jù)原子利用率表示目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量與生成物總質(zhì)量之比來比較；根據(jù)平衡常數(shù)越大越有利于反應(yīng)的進(jìn)行；
（3）①由圖可知，壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度越高，CH₃OH的物質(zhì)的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)；
②正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的物質(zhì)的量增大，結(jié)合圖可知，P₁＞P₂，根據(jù)壓強(qiáng)對(duì)反應(yīng)速率的影響答題；
③在可逆反應(yīng)中，增加一種反應(yīng)物濃度可以提高另一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率；
④圖中M點(diǎn)時(shí)，容器體積為10L，結(jié)合M點(diǎn)的坐標(biāo)可知，M點(diǎn)的CH₃OH的物質(zhì)的量為0.25mol，
       根據(jù)反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L） 0.1      0.275      0         0
轉(zhuǎn)化（mol/L）0.025     0.075     0.025     0.025  
平衡（mol/L） 0.075    0.2       0.025     0.025
根據(jù)K=$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{3}（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}$計(jì)算；
（3）設(shè)轉(zhuǎn)化的二氧化碳的物質(zhì)的量為x，
根據(jù)反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
起始    a         b         0       0
轉(zhuǎn)化    x        3x        x        x  
平衡  a-x        b-3x      x        x
則CO₂的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{a-x}{a-x+b-3x+x+x}$=$\frac{a-x}{a+b-2x}$，據(jù)此討論．

解答 解（1）CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g），反應(yīng)的焓變可以根據(jù)反應(yīng)物的總鍵能和生成物的總鍵能計(jì)算得到，焓變=反應(yīng)物總鍵能之和-生成物總鍵能之和，依據(jù)圖表提供的化學(xué)鍵的鍵能計(jì)算得到，）△H₁═1072KJ/mol+2×436KJ/mol-（3×413KJ/mol+358KJ/mol+463KJ/mol）=-116 kJ•mol^-1，熱化學(xué)方程式CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1，
故答案為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH （g）△H=-116 kJ•mol^-1；
（2）因原子利用率表示目標(biāo)產(chǎn)物的質(zhì)量與生成物總質(zhì)量之比，反應(yīng)I的原子利用率為$\frac{30}{32}$×100%=93.7%，反應(yīng)II的原子利用率為$\frac{30}{48}$×100%=62.5%；平衡常數(shù)越大越有利于反應(yīng)的進(jìn)行，
故答案為：Ⅰ，Ⅱ；
（3）①由圖可知，壓強(qiáng)一定時(shí)，溫度越高，CH₃OH的物質(zhì)的量越小，說明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H＜0，
故答案為：＜；
②正反應(yīng)為氣體體積減小的反應(yīng)，溫度一定時(shí)，增大壓強(qiáng)，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的物質(zhì)的量增大，故壓強(qiáng)P₁＞P₂，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)速率也增大，所以v（N）＜v（M），
故答案為：＜；
③在可逆反應(yīng)中，增加一種反應(yīng)物濃度可以提高另一反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，所以為提高CO₂的轉(zhuǎn)化率除可改變溫度和壓強(qiáng)外，還可采取的措施是增大氫氣物質(zhì)的量比二氧化碳物質(zhì)的量的值，
故答案為：增大氫碳比；
④圖中M點(diǎn)時(shí)，容器體積為10L，結(jié)合M點(diǎn)的坐標(biāo)可知，M點(diǎn)的CH₃OH的物質(zhì)的量為0.25mol，
       根據(jù)反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）
起始（mol/L） 0.1      0.275      0         0
轉(zhuǎn)化（mol/L）0.025     0.075     0.025     0.025  
平衡（mol/L） 0.075    0.2       0.025     0.025
K=$\frac{c（{H}_{2}O）c（C{H}_{3}OH）}{{c}^{3}（{H}_{2}）c（C{O}_{2}）}$=$\frac{0.025×0.025}{0．{2}^{3}×0.075}$=1.04，
故答案為：1.04；
（4）設(shè)轉(zhuǎn)化的二氧化碳的物質(zhì)的量為x，
根據(jù)反應(yīng)CO₂（g）+3H₂（g）?CH₃OH（g）+H₂O（g），
起始    a         b         0       0
轉(zhuǎn)化    x        3x        x        x  
平衡  a-x        b-3x      x        x
則CO₂的體積分?jǐn)?shù)為$\frac{a-x}{a-x+b-3x+x+x}$=$\frac{a-x}{a+b-2x}$，要使$\frac{a-x}{a+b-2x}$為恒定的值，則a=b，
故答案為：a=b．

點(diǎn)評(píng) 本題屬于拼合型題目，涉及化學(xué)鍵鍵能計(jì)算反應(yīng)焓變、化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡影響因素等知識(shí)，是對(duì)學(xué)生綜合能力的考查，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)，難度中等．