Question

18．甲醇是一种可再生能源，又是一种重要的化工原料，具有开发和应用的广阔前景．
工业上可用如下方法合成甲醇：

方法一	CO（g）+2H2（g）?CH3OH（g）
方法二	CO2（g）+3H2（g）?CH3OH（g）+H2O（g）

（1）已知：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）═2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（l）═H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
则甲醇不完全燃烧生成CO和液态水的热化学反应方程式为CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1．
（2）方法一生产甲醇是目前工业上常用的方法．在一定温度下，向2L密闭容器中充入1molCO和2molH₂，发生上述反应，5分钟反应达平衡，此时CO的转化率为80%．请回答下列问题：
①前5分钟内甲醇的平均反应速率为0.08mol/（L•min）；已知该反应在低温下能自发进行，则反应的△H为＜（填“＞”、“＜”或“=”）0．
②在该温度下反应的平衡常数K=100．
③在图甲方框的坐标系中画出甲醇的物质的量浓度随时间的变化曲线．

（画在答题纸上）
④关于上述反应，下列叙述不正确的是A（填编号）．
A．达到平衡时，移走部分甲醇，平衡将向右移动，正反应速率加快
B．缩小容器的体积，平衡将向右移动，c（CO）将变大
C．在相同的条件下，若使用甲催化剂能使正反应速率加快10⁵倍，使用乙催化剂能使逆反应速率加快10⁸倍，则应该选用乙催化剂
D．若保持平衡时的温度和压强不变，再向容器中充入0.8molCO和0.6mol CH₃OH，则此时v_正＞v_逆
（3）方法二生产甲醇应更具前景，写出方法二生产甲醇的一个优点减少二氧化碳的排放，有效控制温室效应．
（4）根据反应2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g），可利用CH₃OH生产CH₃OCH₃．
有人对甲醇脱水转化为二甲醚过程从温度、液体空速（在单位时间内单位体积的催化剂表面通过的原料的量，空速越小，停留时间越长，反应程度越高，但处理能力越小）、压力对甲醇的转化率影响进行研究，分别获得图乙2幅图．
根据以上两幅图选择不受空速影响的合适反应温度和压强320℃、0.2-0.6Mpa．
（5）根据文献，甲醇生产二甲醚的转化率可以根据冷凝的液相中的甲醇与水的相对百分含量来计算（忽略挥发到气相的甲醇）．若以C_w表示冷凝液中水的质量分数，C_M表示冷凝液中甲醇的质量分数，则甲醇的转化率x_M=$\frac{32C{\;}_{W}}{32C{\;}_{W}+9C{\;}_{M}}$．

Answer 1

分析 （1）依据热化学方程式和盖斯定律计算得到所需热化学方程式；
（2）①反应速率V=$\frac{△c}{△t}$计算得到；自发进行的判断依据△H-T△S＜0分析判断；
②依据化学平衡三段式列式计算平衡浓度，平衡常数等于生成物平衡浓度幂次方乘积除以反应物平衡浓度幂次方乘积；
③依据甲醇从反应开始到5min达平衡，浓度由0增大到0.4mol/L画图；
④依据化学平衡移动原理分析选项，改变条件，平衡向减弱这种改变的方向进行；
（3）从减小二氧化碳的排放，有效控制温室效应来分析；
（4）分析图1、图2，找出不受空速影响的合适反应温度和压强；
（5）可以设出冷凝液总质量为mg，然后列式计算出甲醇的转化率．

解答 解：（1）：①2CH₃OH（l）+3O₂（g）?2CO₂（g）+4H₂O（g）△H=-1275.6kJ•mol^-1
②2CO（g）+O₂（g）?2CO₂（g）△H=-566.0kJ•mol^-1
③H₂O（l）=H₂O（g）△H=+44.0kJ•mol^-1
由盖斯定律计算，（①-②-③×4）×$\frac{1}{2}$得到甲醇不完全燃烧生成CO和液态水的热化学反应方程式为CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1；
故答案为：CH₃OH（l）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（l）△H=-442.8kJ•mol^-1；
（2）在一定温度下，向2L密闭容器中充入1molCO和2molH₂，发生上述反应，5分钟反应达平衡，此时CO的转化率为80%，则
                 CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L）  0.5        1          0  
变化量（mol/L）  0.4       0.8         0.4
平衡量（mol/L）  0.1        0.2        0.4
①前5分钟内甲醇的平均反应速率=$\frac{0.4mol/L}{5min}$=0.08mol/L•min；已知该反应在低温下能自发进行，△H-T△S＜0，反应△S＜0，则△H＜0；
故答案为：0.08mol/（L•min）；＜；
②K=$\frac{0.4}{0.1×0.2{\;}^{2}}$=100，故答案为：100；
③根据以上三段式计算得，甲醇从反应开始到5min达平衡，浓度由0增大到0.4mol/L，所以甲醇的物质的量浓度随时间的变化曲线为，故答案为：；
④A．达到平衡时，移走部分甲醇，平衡将向右移动，反应物浓度减小，正反应速率减小，故A错误；
B．反应是气体体积减小的反应，缩小容器的体积，压强增大，平衡将向右移动，但c（CO）将变大，故B正确；
C．催化剂对正逆反应速率影响程度相同，在相同的条件下，若使用甲催化剂能使正反应速率加快10⁵倍，使用乙催化剂能使逆反应速率加快10⁸倍，则应该选用乙催化剂，故C正确；
D．若保持平衡时的温度和压强不变，再向容器中充入0.8molCO和0.6mol CH₃OH，浓度商Q=$\frac{0.4+\frac{0.6}{2}}{（0.1+\frac{0.8}{2}）×0.2{\;}^{2}}$=35＜K，平衡正向进行，则此时v_正＞v_逆 ，故D正确；
故答案为：A；
（3）方法二生产甲醇消耗二氧化碳，有效控制温室效应，所以应更具前景，故答案为：减小二氧化碳的排放，有效控制温室效应；
（4）根据图1、图2可知，不受空速影响的合适反应温度为320℃、压强在0.2-0.6Mpa，
故答案为：320℃、0.2-0.6Mpa；
（5）设冷凝液总质量为mg，水的物质的量为：$\frac{m•C{\;}_{W}}{18}$mol，甲醇的物质的量为：$\frac{m•C{\;}_{M}}{32}$mol，
根据反应2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）可知，生成$\frac{m•C{\;}_{W}}{18}$mol水，需要消耗甲醇的物质的量为：2×$\frac{m•C{\;}_{W}}{18}$mol，
甲醇的转化率为：x_M=$\frac{\frac{2m•{C}_{w}}{18}}{\frac{2m{•C}_{w}}{18}+\frac{m•{C}_{M}}{32}}$=$\frac{32C{\;}_{W}}{32C{\;}_{W}+9C{\;}_{M}}$，
故答案为：$\frac{32C{\;}_{W}}{32C{\;}_{W}+9C{\;}_{M}}$；

点评 本题考查了热化学方程式书写方法，化学平衡影响因素分析，平衡计算理解应用，平衡常数、反应速率概念的计算分析，化学方案的评价，题目比较综合，充分考查学生的分析、理解能力，难度稍大．