Question

【題目】探索CO2與CH4的反應(yīng)使其轉(zhuǎn)化為CO和H2，對(duì)減緩燃料危機(jī)，減少溫室效應(yīng)具有重要意義。回答下列問題

(1)已知：①CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g) △H1=+206.1kJ·mol－1

②2H2(g)+CO(g)CH3OH(1) △H2=－128.3kJ·mol－1

③2H2(g)+O2(g)2H2O(g) △H3=－483.6kJ·mol－1

25℃時(shí)，在合適的催化劑作用下，采用甲烷和氧氣一步合成液態(tài)甲醇的熱化學(xué)方程式為______________________。

(2)向某密閉恒容容器中通入物質(zhì)的量濃度均為0.1mol·L－1的CH4與CO2，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)，測(cè)得CH4的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。

①工業(yè)生產(chǎn)時(shí)一般會(huì)選擇在P4和1250℃條件下進(jìn)行反應(yīng)，請(qǐng)解釋其原因______________________。

②在壓強(qiáng)為P4、1100℃的條件下，該反應(yīng)在5min時(shí)達(dá)到平衡點(diǎn)X，則0-5min內(nèi)，用CO表示該反應(yīng)平均速率為___________；該溫度下，反應(yīng)的平衡常數(shù)為___________(保留3位有效數(shù)字)。

(3)工業(yè)上用CO和H2制取甲醇反應(yīng)方程式為2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)。對(duì)于該合成反應(yīng)，若通入的CO的物質(zhì)的量一定，如圖為4種投料比[n(CO)︰n(H2)分別為5︰7、10︰17、5︰9、1︰2]時(shí)，反應(yīng)溫度對(duì)CO平衡轉(zhuǎn)化率的影響曲線。

①曲線b對(duì)應(yīng)的投料比是___________

②當(dāng)反應(yīng)在曲線a、b、c對(duì)應(yīng)的投料比下達(dá)到相同的平衡轉(zhuǎn)化率時(shí)，對(duì)應(yīng)的反應(yīng)溫度和投料比的關(guān)系是___________。

③投料比為10︰17反應(yīng)溫度為T1時(shí)，平衡混合氣體中CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為___________。

Answer 1

【答案】CH4（g）+O2（g）CH3OH（l）△H=-164.0 kJ·mol-1 較大的壓強(qiáng)和較高的溫度都能加快反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率 0.032 mol·L-1·min-1 1.64 5：9 投料比越大，反應(yīng)溫度越低 20.8%

【解析】

根據(jù)運(yùn)用蓋斯定律計(jì)算和書寫熱化學(xué)方程式；根據(jù)轉(zhuǎn)化率運(yùn)用三段式法進(jìn)行反應(yīng)速率、平衡常數(shù)和物質(zhì)的含量相關(guān)等。

（1）根據(jù)蓋斯定律：2①+2②+③得2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H=2△H1+2△H2+△H3=2×206.1kJ·mol－1 －2×128.3kJ·mol－1－483.6kJ·mol－1=328.0kJ·mol－1，

故答案為：2CH4(g)+O2(g)2CH3OH(1) △H=328.0kJ·mol－1

(2)①根據(jù)圖表所示及工業(yè)生產(chǎn)需要分析知較大的壓強(qiáng)和較高的溫度都能加快反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率，

故答案為：較大的壓強(qiáng)和較高的溫度都能加快反應(yīng)速率，提高生產(chǎn)效率；

②起始時(shí)甲烷的濃度為0.1mol·L－1，轉(zhuǎn)化率為80%，則甲烷濃度變化為0.1mol·L－1×80%=0.081mol·L－1，v(CO)=2×v(CH4)=2× =0.032 mol·L-1·min-1；

CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g)

起始 0.1 0.1 0 0

轉(zhuǎn)化 0.08 0.08 0.16 0.16

平衡 0.02 0.02 0.16 0.16

K=，

故答案為：0.032 mol·L-1·min-1；1.64；

(3)①由方程式知，投料比n(CO)︰n(H2)越小，CO轉(zhuǎn)化率越高，所以b曲線的投料比是排第二小的是5：9；

②根據(jù)圖像趨勢(shì)知投料比越大，反應(yīng)溫度越低，；

③投料比為10︰17對(duì)應(yīng)曲線c，反應(yīng)溫度為T1時(shí)，平衡時(shí)CO轉(zhuǎn)化率為75%，則

2H2(g)+CO(g)CH3OH(g)

起始 17 10 0

轉(zhuǎn)化 15 7.5 7.5

平衡 2 2.5 7.5

混合氣體中CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為 20.8%；

故答案為：5：9；投料比越大，反應(yīng)溫度越低； 20.8%。