Question

使用石油熱裂解的副產(chǎn)物CH₄來制取CO和H₂，其生產(chǎn)流程如圖1：

（1）此流程的第Ⅰ步反應(yīng)為：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），一定條件下CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖2．則P1

P₂．（填“＜”、“＞”或“=”）100℃時，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的恒容密閉容器中，達到平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5．此時該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

 

．
（2）此流程的第Ⅱ步反應(yīng)的平衡常數(shù)隨溫度的變化如表：

溫度/℃	400	500	830
平衡常數(shù)K	10	9	1

從表中可以推斷：該反應(yīng)是

 

反應(yīng)（填“吸熱”或“放熱”），若在500℃時進行，設(shè)起始時CO和H₂O的起始濃度均為0.020mol/L，在該條件下，反應(yīng)達到平衡時，CO的轉(zhuǎn)化率為

 

．如圖3表示該反應(yīng)在t₁時刻達到平衡、在t₂時刻因改變某個條件引起濃度變化的情況：圖中t₂時刻發(fā)生改變的條件是

 

（寫出一種）．
（3）工業(yè)上常利用反應(yīng)Ⅰ產(chǎn)生的CO和H₂合成可再生能源甲醇．
①已知CO（g）、CH₃OH（l）的燃燒熱分別為283.0kJ?mol^-1和726.5kJ?mol^-1，則CH₃OH（l）不完全燃燒生成CO（g）和H₂O（l）的熱化學(xué)方程式為

 

．
②合成甲醇的方程式為：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0．在230°C?270℃最為有利．為研究合成氣最合適的起始組成比n（H₂）：n（CO），分別在230℃、250℃和270℃進行實驗，結(jié)果如圖4所示．其中270℃的實驗結(jié)果所對應(yīng)的曲線是

 

（填字母）；當(dāng)曲線X、Y、Z對應(yīng)的投料比達到相同的CO平衡轉(zhuǎn)化率時，對應(yīng)的反應(yīng)溫度與投較比的關(guān)系是

 

．
③當(dāng)投料比為1：1，溫度為230℃，平衡混合氣體中，CH₃OH的物質(zhì)的量分數(shù)為

 

（保留1位小數(shù)）．

Answer 1

考點：化學(xué)平衡建立的過程,熱化學(xué)方程式,化學(xué)平衡的計算

專題：基本概念與基本理論

分析：（1）采取控制變量法分析，由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強平衡向體積減小的方向移動；依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算平衡濃度結(jié)合平衡常數(shù)概念計算得到；
（2）分析圖表數(shù)據(jù)可知平衡常數(shù)隨溫度升高減小，說明平衡逆向進行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)；結(jié)合平衡三段式計算轉(zhuǎn)化率=

消耗量

起始量

×100%；在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，結(jié)合平衡移動原理分析；
（3）根據(jù)CO和CH₃OH的燃燒熱先書寫熱方程式，再利用蓋斯定律來分析甲醇不完全燃燒生成一氧化碳和液態(tài)水的熱化學(xué)方程式；
（4）依據(jù)反應(yīng)是放熱反應(yīng)，溫度越高，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率越��；CO為有毒氣體反應(yīng)時盡可能完全轉(zhuǎn)化，圖象分析判斷反應(yīng)溫度與投較比的關(guān)系；
（5）依據(jù)圖象分析當(dāng)投料比為1：1，一氧化碳轉(zhuǎn)化率為40%，依據(jù)化學(xué)平衡三段式計算．

解答： 解：（1）由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，平衡向正反應(yīng)方向移動，反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，即P₁＜P₂；100℃時，將1mol CH₄和2mol H₂O通入容積為100L的恒容密閉容器中，達到平衡時CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5，
                  CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol/L）    0.01    0.02       0      0
變化量（mol/L）   0.005   0.005     0.005   0.015
平衡量（mol/L）   0.005   0.015     0.005   0.015
平衡常數(shù)K=

c(CO)c3(H2)

c(CH4)c(H2O)

=

0.005×0.0153

0.005×0.015

=2.25×10^-4（mol/L）²；
故答案為：＜，2.25×10^-4；
（2）分析圖表數(shù)據(jù)可知平衡常數(shù)隨溫度升高減小，說明平衡逆向進行，正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，△H＜0；若在500℃時進行，設(shè)起始時CO和H₂O的起始濃度均為0.020mol/L，平衡常數(shù)為9，依據(jù)化學(xué)平衡三段式列式計算，設(shè)一氧化碳消耗物質(zhì)的量濃度為x，計算平衡常數(shù)得到；
              CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始量（mol） 0.02      0.02          0        0
變化量（mol）  x           x         x         x
平衡量（mmol）0.02-x   0.02-x        x        x
K=

x2

(0.02-x)2

=9
x=0.015mol/L
CO的轉(zhuǎn)化率=

0.015

0.02

×100%=75%
CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g），反應(yīng)是氣體體積不變的放熱反應(yīng)，在t₂時刻因改變某個條件濃度發(fā)生變化的情況是二氧化碳濃度增大，一氧化碳濃度減小，說明平衡正向進行，降低溫度，或增加水蒸氣的量或減少氫氣的量均可以實現(xiàn)，
故答案為：放熱，75%，降低溫度，或增加水蒸汽的量，或減少氫氣的量；
（3）①由CO（g）和CH₃OH（l）的燃燒熱△H分別為-283.0kJ?mol^-1和-726.5kJ?mol^-1，則
①CO（g）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ?mol^-1
②CH₃OH（l）+

1

2

O₂（g）=CO₂（g）+2 H₂O（l）△H=-726.5kJ?mol^-1
由蓋斯定律可知，②-①得反應(yīng)CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2 H₂O（l），則△H=-726.5kJ?mol^-1-（-283.0kJ?mol^-1）=-443.5kJ?mol^-1，
故答案為：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-443.5kJ?mol^-1；
②工業(yè)上用反應(yīng)④低壓合成甲醇，在230℃～270℃最為有利．為研究合成氣最合適的起始組成比，分別在230℃、250℃和270℃進行實驗，結(jié)果如圖．合成甲醇是放熱反應(yīng)，溫度越低轉(zhuǎn)化率越大，結(jié)合圖象可知，270℃的實驗結(jié)果所對應(yīng)的曲線是Z，CO為有毒氣體反應(yīng)時盡可能完全轉(zhuǎn)化，由圖象分析投料比越高，對應(yīng)的反應(yīng)溫度越高，
故答案為：Z；投料比越高，對應(yīng)的反應(yīng)溫度越高；      
③當(dāng)投料比為1：1，溫度為230℃，曲線為x，圖象分析判斷，一氧化碳轉(zhuǎn)化率為40%，
              CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）   x      x          0
變化量（mol）   0.4x    0.8x      0.4x
平衡量（mol）0.6x     0.2x       0.4x
則平衡混合氣體中，CH₃OH的物質(zhì)的量分數(shù)=

0.4x

1.2x

×100%=33.3%，
故答案為：33.3%；

點評：本題考查了熱化學(xué)方程式的書寫，蓋斯定律的應(yīng)用，圖象分析判斷，化學(xué)平衡的進行方向，題目難度中等．