Question

(14分)甲醇是一種重要的化工原料，在生產(chǎn)中有著重要的應(yīng)用。工業(yè)上用天然氣為原料，分為兩階段制備甲醇：

（i）制備合成氣：CH4(g)+H2O(g) CO(g)+3H2(g)

（ii）合成甲醇：CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

請回答下列問題：

（1）制備合成氣：將1.0mol CH4和2.0mol H2O(g)通入反應(yīng)室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應(yīng)（i）；CH4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖所示。

①已知100℃時達到平衡的時間為5min，則從反應(yīng)開始到平衡，用氫氣表示的平均反應(yīng)速率為：v(H2) = 。

②圖中p1 p2（填“<”、”“>”或“=”）。

③為解決合成氣中H2過量而CO不足的問題，原料氣中需添加CO2，發(fā)生反應(yīng)如下：

CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)，為了使合成氣配比最佳，理論上原料氣中甲烷與二氧化碳體積比為 。

（2）合成甲醇：在Cu2O/ZnO作催化劑的條件下，向2L的密閉容器中通入1mol CO(g)和2mol H2(g)，發(fā)生反應(yīng)(ii)，反應(yīng)過程中，CH3OH的物質(zhì)的量（n）與時間（t）及溫度的關(guān)系如圖所示。

①反應(yīng)（ii）需在 （填“高溫”或“低溫”）才能自發(fā)進行。

②據(jù)研究，反應(yīng)過程中起催化作用的為Cu2O，反應(yīng)體系中含少量的CO2 有利于維持Cu2O的量不變，

原因是 （用化學(xué)方程式表示）。

③在500℃恒壓條件下，請在上圖中畫出反應(yīng)體系中n(CH3OH)隨時間t變化的總趨勢圖。

（3）工業(yè)上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為：

CH3OH(g)+CO(g)HCOOCH3(g) ，科研人員對該反應(yīng)進行了研究，部分研究結(jié)果如下：

①從反應(yīng)壓強對甲醇轉(zhuǎn)化率的影響“效率”看，工業(yè)制取甲酸甲酯應(yīng)選擇的壓強是 。 (填“3.5×106Pa”、“4.0×106Pa”或“5.0×106Pa”)。

②實際工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃，其理由是 。

Answer 1

(14分)

（1）①0.003mol·L-1min-1 （2分） ② < （1分） ③ 3:1 （2分）

（2）① 低溫 （1分） ② Cu2O+CO2Cu+CO2 （2分）

③ （畫出達平衡時間小于2s給1分；畫出平衡時縱坐標高于恒容時給1分。共2分。）

（3）①4.0×106 （2分） ②低于80℃，反應(yīng)速率較�。桓哂�80℃時，溫度對反應(yīng)速率影響較小，又因反應(yīng)放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉(zhuǎn)化率降低（答出前者給1分；答出后者即給2分；）

【解析】

試題分析：（1）①100℃時達到平衡的時間為5min，甲烷的轉(zhuǎn)化率是0.5，則甲烷的濃度減少1.0mol×0.5/100L=5×10-3mol/L，則氫氣的濃度增加5×10-3mol/L×3=0.015mol/L，v(H2) =0.015mol/L/5min= 0.003mol·L-1min-1；

②溫度相同時，增大壓強，平衡逆向移動，則甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，所以p1<p2；

③原料氣中甲烷與二氧化碳體積分別是x、y，則（i）中產(chǎn)生CO的體積是x，氫氣的體積是3x；二氧化碳與氫氣的反應(yīng)中消耗氫氣的體積是y，生成CO的體積是y，所以最終氫氣的體積是3x-y，CO的體積是x+y，二者恰好反應(yīng)的體積比CO：H2=1：2=（x+y）：(3x-y)，解得x:y=3:1；

（2）①反應(yīng)（ii）是熵減的反應(yīng)，所以若反應(yīng)自發(fā)進行，則一定有<0，根據(jù)△G=△H-T△S<0反應(yīng)自發(fā)，△S<0，則T應(yīng)較小，所以該反應(yīng)在低溫下可能自發(fā)進行；

②因為氧化亞銅與CO發(fā)生反應(yīng)生成Cu和二氧化碳氣體，所以體系內(nèi)含有二氧化碳，平衡逆向移動，則不利于氧化亞銅被CO還原，從而維持Cu2O的量不變，化學(xué)方程式是Cu2O+CO2Cu+CO2；

③原平衡是在恒容條件下，壓強減小，所以保存壓強不變時，則容器的體積減小，相當于在原平衡的基礎(chǔ)上，增大壓強，平衡正向移動，則甲醇的物質(zhì)的量增大，但仍是小于1mol，同時壓強增大，反應(yīng)速率加快，達到平衡的時間縮短，則對應(yīng)的圖像為；

（3）①根據(jù)圖可知，“3.5×106Pa”、“4.0×106Pa”或“5.0×106Pa”三種壓強下，3.5×106Pa時甲醇的轉(zhuǎn)化率是30%，4.0×106Pa是甲醇的轉(zhuǎn)化率是50%，而5.0×106Pa比4.0×106Pa增大了1.0×106Pa，但甲醇的轉(zhuǎn)化率還增大不到5%，對設(shè)備的要求更高，但轉(zhuǎn)化率增大的程度不大，所以最適宜的壓強是4.0×106Pa；

②根據(jù)圖27-3可知，溫度低于80℃，反應(yīng)速率較��；高于80℃時，曲線較平緩，說明溫度對反應(yīng)速率影響較小，又因反應(yīng)放熱，升高溫度時平衡逆向移動，甲醇轉(zhuǎn)化率降低，所以實際工業(yè)生產(chǎn)中采用的溫度是80℃。

考點：考查對物質(zhì)制備過程的分析，設(shè)計化學(xué)平衡，對圖像的分析，反應(yīng)條件的判斷