题目内容
CO和CO2都可以合成甲醇:CO+2H2→CH3OH;CO2+3H2→CH3OH+H2O,CO、CO2和H2可通过下列反应制备:①CH4+H2O(g)→CO+3H2;②CO+H2O(g)→CO2+H2;反应①的产物合成甲醇时H2过量,反应②的产物合成甲醇时H2不足.为了充分利用原料,可将两个反应的产物混合使用.
(1)以CH4、CO、H2O混合气体为原料气,在一定条件下充分反应,所得气体以合成甲醇,为使原子的利用率达到最高,则CH4、CO、H2O的最佳配比为______.
(2)若以100L CH4和H2O的混合气体为原料,制备CO、CO2和H2混合气体,当CH4和H2O均完全反应后,在相同条件下反应后气体的体积为______L(写范围).
(3)若反应①的气体产物共为V1L,则合成甲醇时H2过量0.25V1L;反应②的气体产物共为V2L,则合成甲醇时H2不足(H2少V2L).为了充分利用原料,可将两个反应的产物混合使用,则V1与V2最佳比例为______.
(4)在100L CH4和H2O的混合气体中,CH4所占的体积分数为x,反应后气体的体积为y(L),求:x的取值范围和气体产物的体积y(用含x的函数表达式)
(2)假定只发生反应CH4+H2O (g)→CO+3H2,生成的混合气体的体积最大,最大体积为100L×=200L,假定只发生CH4+2H2O(g)→CO2+4H2,生成的混合气体的体积最小,最小体积为100L×=166.7L,故反应后气体的体积为:166.7L<v<200L,
故答案为:166.7L≤v≤200L;
(3)反应②的气体产物共为V2L,则反应②生成的气体中CO2体积为0.5V2L,H2的体积为0.5V2L,反应③合成甲醇剩余的氢气,与反应②生成的混合气体恰好发生反应④,故0.5V2L:(0.5V2L+0.25V1L)=1:3,整理得V1:V2=4:1,故答案为:4:1;
(4)反应可能由3种情况:
①如H2O少量,则只发生:CH4+H2O (g)→CO+3H2,x的取值范围<x<1,由差量法可知反应后的体积为100+100(1-x)×2=300-200x,
即:v=300-200x;
②如H2O过量,则只发生:CH4+2H2O(g)→CO2+4H2,x的取值范围0<x<,反应后气体为CO2、H2和H2O,由差量法可知反应后的体积为100+200x,
即:V=100+200x,
③如H2O与CH4均完全反应,x的取值范围≤x≤,由差量法可知V=100+200x,
答:x的取值范围和气体产物的体积y分别为①<x<1,v=300-200x;②0<x<,V=100+200x;③≤x≤,V=100+200x.
分析:(1)使原子利用率都达到100%,根据原子守恒,由甲醇的分子式可知,则混合气体中n(C):n(H):n(O)=1:4:1,据此计算;
(2)假定只发生反应CH4+H2O (g)→CO+3H2,生成的混合气体的体积最大,假定只发生CH4+2H2O(g)→CO2+4H2,生成的混合气体的体积最小,据此计算;
(3)根据反应②计算V2L气体中CO2、H2的体积,反应③合成甲醇剩余的氢气,与反应②生成的混合气体恰好发生反应④,据此计算;
(4)根据反应CH4+H2O (g)→CO+3H2和CH4+2H2O(g)→CO2+4H2进行计算.
点评:本题考查混合物的计算,题目难道较大,注意差量法的运用,为解答该题的关键,注意把握相关反应的可能性.
工业上通常在恒容密闭容器中采用CO(g)和H2 (g)反应催化合成甲醇CH3OH(g):
(1)已知:① 2CO(g) + O2 (g) = 2CO2 (g) ΔH =" -566.0" kJ·mol-1
② 2H2(g) + O2 (g) ="2" H2O (g) ΔH =" -398.0" kJ·mol-1
③2CH3OH(g) +3O2 (g) =2CO2 (g) +4 H2O(g) ΔH =" -1104.0" kJ·mol-1
则CO(g)与H2(g)合成CH3OH(g)的热化学方程式是_______________。
(2)据研究,反应过程中起催化作用的为CuO,反应体系中含少量CO2有利于维持催化剂CuO的量不变,原因是:_______________________________ (用化学方程式表示)。
(3)判断反应达到平衡状态的依据是(填字母序号,下同)__________。
A. 混合气体的密度不变
B. 混合气体的平均相对分子质量不变
C. CH3OH(g)、CO(g)、H2(g)的浓度都不再发生变化
D.生成CH3OH(g)的速率与消耗CO(g)的速率相等
(4)下表所列数据是反应在不同温度下的化学平衡常数(K)。
温度 | 250℃ | 300℃ | 350℃ |
K | 2.041 | 0.250 | 0.012 |
(5)要提高CO(g)的转化率,可以采取的措施是__________。
A. 升高温度 B. 加入催化剂 C. 增加CO(g)的浓度
D. 加入H2(g)加压 E. 分离出甲醇 F.加入惰性气体加压
(6)一定条件下,在容积相同的三个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时的有关数据如下:
容器 | 甲 | 乙 | 丙 | |
反应物投入量 | 1molCO 2molH2 | 1molCH3OH | 2molCH3OH | |
平衡数据 | CH3OH的浓度(mol/L) | c 1 | c 2 | c 3 |
反应的能量变化的绝对值(kJ) | a | b | c | |
体系压强(Pa) | P1 | P2 | P3 | |
反应物转化率 | α1 | α2 | α3 |
A. 2c1>c3 B. a+b=129 C. 2p2<p3 D. α1+α3<1
合成氨然后再生产尿素是最重要的化工生产。
I.在3个2 L的密闭容器中,在相同的温度下、使用相同的催化剂分别进行反应:
3H2(g) + N2(g)2NH3(g),按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时有关数据如下:
容器 |
甲 |
乙 |
丙 |
反应物投入量 |
3 mol H2、2 mol N2 |
6 mol H2、4mol N2 |
2 mol NH3 |
达到平衡的时间/min |
|
5 |
8 |
平衡时N2的浓度/mol·L-1 |
c1 |
1.5 |
|
NH3的体积分数 |
ω1 |
|
ω3 |
混合气体密度/g·L-1 |
ρ1 |
ρ2 |
|
(1)容器乙中反应从开始到达平衡的反应速率为v(H2)=___________。
(2)在该温度下甲容器中反应的平衡常数K= (用含c1的代数式表示)。
(3)分析上表数据,下列关系正确的是________(填序号):
a.2c1 > 1.5 b.2ρ1 = ρ2 c.ω3 = ω1
II.工业上用氨气合成尿素(H2NCONH2)的反应在进行时分为如下两步:
第一步:2NH3(l)+CO2(g) H2NCOONH4 (l) (氨基甲酸铵) △H1
第二步:H2NCOONH4(l)H2O(l)+H2NCONH2(l) △H2
(4)某实验小组模拟工业上合成尿素的条件,在一体积为0.5 L密闭容器中投入4 mol氨和1mol二氧化碳,实验测得反应中各组分随时间的变化如左下图I所示:
①已知总反应的快慢由慢的一步决定,则合成尿素总反应的快慢由第 步反应决定。
②第二步反应的平衡常数K随温度T的变化如右上图II所示,则△H2 0;③若第一步反应升温时氨气浓度增大,请在图II中画出第一步反应K1随温度T变化曲线,并作出必要的标注。
(5)氨和尿素溶液都可以吸收硝工业尾气中的NO、NO2,将其转化为N2。
①尿素与NO、NO2三者等物质的量反应为:CO(NH2)2+NO+NO2 =CO2+2N2+2H2O
该反应中的氧化剂为 (写化学式)。
②已知:N2(g)+O2(g)= 2NO(g) △H =a kJ·mol-1
N2(g)+3H2(g)= 2NH3(g) △H2=bkJ· kJ·mol-1
2H2(g)+O2(g)= 2H2O(g) △H = c kJ·mol-1
则4NH3(g) +4NO(g) +O2(g)= 4N2(g)+6H2O(g) △H= 。
③尿素燃料电池结构如下图所示。其工作时负极电极反应式可表示为 。
工业上通常在恒容密闭容器中采用CO(g)和H2 (g)反应催化合成甲醇CH3OH(g):
(1)已知:① 2CO(g) + O2 (g) = 2CO2 (g) ΔH =" -566.0" kJ·mol-1
② 2H2(g) + O2 (g) ="2" H2O (g) ΔH =" -398.0" kJ·mol-1
③2CH3OH(g) +3O2 (g) =2CO2 (g) +4 H2O(g) ΔH =" -1104.0" kJ·mol-1
则CO(g)与H2(g)合成CH3OH(g)的热化学方程式是_______________。
(2)据研究,反应过程中起催化作用的为CuO,反应体系中含少量CO2有利于维持催化剂CuO的量不变,原因是:_______________________________ (用化学方程式表示)。
(3)判断反应达到平衡状态的依据是(填字母序号,下同)__________。
A. 混合气体的密度不变
B. 混合气体的平均相对分子质量不变
C. CH3OH(g)、CO(g)、H2(g)的浓度都不再发生变化
D.生成CH3OH(g)的速率与消耗CO(g)的速率相等
(4)下表所列数据是反应在不同温度下的化学平衡常数(K)。
温度 |
250℃ |
300℃ |
350℃ |
K |
2.041 |
0.250 |
0.012 |
某温度下,将2molCO(g)和6mol H2(g)充入2L的密闭容器中,充分反应后,达到平衡时测得c(CO)=0.5mol/L,则CO(g)的转化率为________,此时的温度为__________。
(5)要提高CO(g)的转化率,可以采取的措施是__________。
A. 升高温度 B. 加入催化剂 C. 增加CO(g)的浓度
D. 加入H2(g)加压 E. 分离出甲醇 F.加入惰性气体加压
(6)一定条件下,在容积相同的三个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时的有关数据如下:
容器 |
甲 |
乙 |
丙 |
|
反应物投入量 |
1molCO 2molH2 |
1molCH3OH |
2molCH3OH |
|
平衡数据 |
CH3OH的浓度(mol/L) |
c 1 |
c 2 |
c 3 |
反应的能量变化的绝对值(kJ) |
a |
b |
c |
|
体系压强(Pa) |
P1 |
P2 |
P3 |
|
反应物转化率 |
α1 |
α2 |
α3 |
下列说法正确的是__________。
A. 2c1>c3 B. a+b=129 C. 2p2<p3 D. α1+α3<1
工业上通常在恒容密闭容器中采用CO(g)和H2 (g)反应催化合成甲醇CH3OH(g):
(1)已知:① 2CO(g) + O2 (g) = 2CO2 (g) ΔH = -566.0 kJ·mol-1 ② 2H2(g) + O2 (g) =2 H2O (g) ΔH = -398.0 kJ·mol-1 ③2CH3OH(g) +3 O2 (g) =2CO2 (g) +4 H2O(g) ΔH = -1104.0 kJ·mol-1则CO(g)与H2(g)合成CH3OH(g)的热化学方程式是_______________。
(2)据研究,反应过程中起催化作用的为CuO,反应体系中含少量CO2有利于维持催化剂CuO的量不变,原因是:_______________________________ (用化学方程式表示)。
(3)判断反应达到平衡状态的依据是(填字母序号,下同)__________。
A. 混合气体的密度不变
B. 混合气体的平均相对分子质量不变
C. CH3OH(g)、CO(g)、H2(g)的浓度都不再发生变化
D.生成CH3OH(g)的速率与消耗CO(g)的速率相等
(4)下表所列数据是反应在不同温度下的化学平衡常数(K)。
温度 | 250℃ | 300℃ | 350℃ |
K | 2.041 | 0.250 | 0.012 |
某温度下,将2molCO(g)和6mol H2(g)充入2L的密闭容器中,充分反应后,达到平衡时测得c(CO)=0.5mol/L,则CO(g)的转化率为________,此时的温度为__________。
(5)要提高CO(g)的转化率,可以采取的措施是__________。
A. 升高温度 B. 加入催化剂 C. 增加CO(g)的浓度
D. 加入H2(g)加压 E. 分离出甲醇 F.加入惰性气体加压
(6)一定条件下,在容积相同的三个密闭容器中,按不同方式投入反应物,保持恒温、恒容,测得反应达到平衡时的有关数据如下:
容器 | 甲 | 乙 | 丙 | |
反应物投入量 | 1molCO 2molH2 | 1molCH3OH | 2molCH3OH | |
平衡数据 | CH3OH的浓度(mol/L) | c 1 | c 2 | c 3 |
反应的能量变化的绝对值(kJ) | a | b | c | |
体系压强(Pa) | P1 | P2 | P3 | |
反应物转化率 | α1 | α2 | α3 |
下列说法正确的是__________。
A. 2c1>c3 B. a+b=129 C. 2p2<p3 D. α1+α3<1