Question

11．碳和碳的化合物在生產(chǎn)、生活中有重要的作用．甲醇水蒸氣重整制氫系統(tǒng)可能發(fā)生下列三個(gè)反應(yīng)：
①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
（1）反應(yīng)①和②在一定條件下均能自發(fā)進(jìn)行的原因兩個(gè)反應(yīng)均為熵增的反應(yīng)，反應(yīng)①△H＜0，△S＞0，則△H-T△S＜0，反應(yīng)②△H＞0，△S＞0，高溫下則△H-T△S＜0．
（2）根據(jù)化學(xué)原理分析升高溫度對(duì)反應(yīng)②的影響反應(yīng)速率加快，有利于向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
（3）控制反應(yīng)條件，反應(yīng)①中的產(chǎn)物也可以用來合成甲醇和二甲醚，其中合成二甲醚的化學(xué)方程式為：
3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），在相同條件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡轉(zhuǎn)化率隨氫碳比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$]的變化如圖1所示：

合成二甲醚的最佳氫碳比為1：1，提高二甲醚反應(yīng)選擇的關(guān)鍵因素是催化劑．
（4）將1molCO和2molH₂充入密閉容器中生成甲醇CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.1Kjmol^-1．在其他條件相同時(shí)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率[a（CO）]與壓強(qiáng)（p）和溫度（T）的關(guān)系如圖2所示
A、B兩點(diǎn)CH₃OH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)w（A）＞   w（B）（填“＞”、“＜”或“=”），理由為該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，A點(diǎn)溫度低于B點(diǎn)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，CH₃OH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減�。�
?C、D兩點(diǎn)的逆反應(yīng)速率：V正（C）＞ V逆（D）（填“＞”、“＜”或“=”），理由為該反應(yīng)為有氣體參與的反應(yīng)，C點(diǎn)壓強(qiáng)大于D點(diǎn)，增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率越快．
?200℃時(shí)，測(cè)得E點(diǎn)的容器容積為10L．該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)K=2500；保持溫度和容積不變，再向容器中沖入1molCO、1molH₂和xmolCH₃OH時(shí)，若使V_正＞V_逆，則x的取值范圍為0＜x＜58．

Answer 1

分析 （1）反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的判斷依據(jù)是△H-T△S＜0；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升溫增大反應(yīng)速率平衡正向進(jìn)行；
（3）依據(jù)化學(xué)方程式定量關(guān)系分析按照化學(xué)方程式中定量關(guān)系是恰好反應(yīng)的最佳比，反應(yīng)進(jìn)行的關(guān)鍵是選擇合適催化劑促進(jìn)反應(yīng)快速進(jìn)行；
（4）A、B兩點(diǎn)壓強(qiáng)一定，溫度越高CO的平衡轉(zhuǎn)化率越小，說明升溫平衡逆向進(jìn)行；
CD兩點(diǎn)是等溫線上的不同點(diǎn)，壓強(qiáng)不同，壓強(qiáng)越大CO的平衡轉(zhuǎn)化率越大，反應(yīng)速率越大；
200℃時(shí)，測(cè)得E點(diǎn)的容器容積為10L．結(jié)合化學(xué)平衡三行計(jì)算列式計(jì)算平衡濃度來計(jì)算該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)K，保持溫度和容積不變，再向容器中沖入1molCO、1molH₂和xmolCH₃OH時(shí)，計(jì)算此時(shí)濃度商Qc，若使V_正＞V_逆，Qc＜K．

解答 解：（1）CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol．反應(yīng)△H＜0，△S＞0，則△H-T△S＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反應(yīng)△H＞0，△S＞0，高溫下則△H-T△S＜0，反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，
兩個(gè)反應(yīng)均為熵增的反應(yīng)，反應(yīng)①△H＜0，△S＞0，則△H-T△S＜0，反應(yīng)②△H＞0，△S＞0，高溫下則△H-T△S＜0，
故答案為：兩個(gè)反應(yīng)均為熵增的反應(yīng)，反應(yīng)①△H＜0，△S＞0，則△H-T△S＜0，反應(yīng)②△H＞0，△S＞0，高溫下則△H-T△S＜0；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反應(yīng)是氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升高溫度反應(yīng)速率加快，升高溫度有利于反應(yīng)②向正反應(yīng)方向移動(dòng)，
故答案為：反應(yīng)速率加快，有利于向正反應(yīng)方向移動(dòng)；
（3）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），圖象分析可知在相同條件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡轉(zhuǎn)化率隨氫碳比增大而減小，合成二甲醚的最佳氫碳比為1：1，此時(shí)反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率最大為80%，提高二甲醚反應(yīng)選擇的關(guān)鍵因素是選擇催化劑，
故答案為：1：1；催化劑；
（4）A點(diǎn)溫度低于B點(diǎn)，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，故CH₃OH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)ω（A）＞ω（B），
該反應(yīng)為有氣體參與的反應(yīng)，C點(diǎn)壓強(qiáng)大于D點(diǎn)，增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率越快，逆反應(yīng)速率：v_正（C）＞v_逆（D），
E點(diǎn)CO轉(zhuǎn)化率為80%，轉(zhuǎn)化的CO為0.8mol，則：
                       CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：1             2               0
變化量（mol）：0.8         1.6            0.8
平衡量（mol）：0.2         0.4           0.8
容器體積為10L，則平衡常數(shù)K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.8}{10}}{\frac{0.2}{10}×（\frac{0.4}{10}）^{2}}$=2500，
保持溫度和容積不變，再向容器中充入1molCO、1molH₂和xmolCH₃OH時(shí)，若使v_正＞v_逆，反應(yīng)正向進(jìn)行，則濃度商Qc=$\frac{\frac{0.8+x}{10}}{\frac{1+0.2}{10}×（\frac{1+0.4}{10}）^{2}}$＜2500，解得x＜58，故0＜x＜58
故答案為：＞；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，A點(diǎn)溫度低于B點(diǎn)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，CO的平衡轉(zhuǎn)化率減小，CH₃OH的質(zhì)量分?jǐn)?shù)減��；
＞；該反應(yīng)為有氣體參與的反應(yīng)，C點(diǎn)壓強(qiáng)大于D點(diǎn)，增大壓強(qiáng)，反應(yīng)速率越快，
2500；0＜x＜58．

點(diǎn)評(píng) 本題考查比較綜合，涉及反應(yīng)熱計(jì)算、化學(xué)平衡圖象與影響因素、平衡常數(shù)計(jì)算及應(yīng)用、電離平衡常數(shù)等，側(cè)重考查學(xué)生信息獲取與知識(shí)遷移運(yùn)用，題目難度中等．