题目内容
【题目】合成气是H2和CO的混合气体,工业上可以用于合成氨、生产低级醇等,请回答下列相关问题。
(1)sparg工艺是生产合成气的方法之一,该方法可将甲烷和二氧化碳在高温下转化为H2和CO,该反应的化学方程式为___________。
(2)工业生产中用合成气合成乙醇的反应为2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g) △H=akJ/mol①生产过程中会发生副反应2CO(g)+3H2(g)
CH3CHO(g)+H2O(g) △H=b kJ/mol②
又已知2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) △H=ckJ/mol③
则C2H5OH(g)催化氧化生成CH3CHO(g)和水蒸气的热化学方程式为__________________。
(3)向2L的恒温恒容密闭容器中充入4 molCO和6molH2,若只发生反应①,达平衡时容器中压强是起始压强的0.6倍,则CO的平衡转化率为___________,该温度下反应①的平衡常数等于___________。下列选项不能证明反应①达到平衡状态的是___________(填标号)。
A.混合气体的平均分子量不再改变
B混合气体的密度不再改变
C.CO和H2的物质的量之比不再改变
D.每断开4 molH-H键的同时断开3 mol H-O键
(4)以醋酸为溶剂,甲醇与合成气可以转化为乙醇,同时会生成醚类、酯类等副产物,下图是醋酸与甲醇的质量比对生产的影响,则工业生产中醋酸与甲醇的最佳质量比是___________。随着醋酸和甲醇的质量比增大,一定范围内甲醇的转化率升高而醚类选择性降低的原因可能是___________(从平衡移动角度解释)。
【答案】CH4+CO22CO+2H2 2C2H5OH(g)+O2(g)
2CH3CHO(g)+2H2O(g) △H=(2b+c-2a)kJ/mol 50% 0.25 B 2 生产中会发生酯化反应,随着醋酸浓度的增加酯化反应平衡右移(答案合理即可)
【解析】
(1)甲烷和二氧化碳在高温下转化为H2和CO,以此书写化学方程式;
(2)根据盖斯定律②×2+ ③ -① ×2得 2C2H5OH(g)+O2(g) 2CH3CHO(g)+2H2O(g) 计算△H,写出热化学方程式;
(3)列出三段式,根据平衡时容器中压强是起始压强的0.6倍,求出平衡时各物质的浓度,进而求出CO的平衡转化率和平衡常数;根据达到化学平衡时正反应速率等于逆反应速率,有关各变量不变分析是否达到平衡状态;
(4)由图分析醋酸与甲醇的最佳质量比;生产中会发生酯化反应,随着醋酸浓度的增加酯化反应平衡右移。
(1)甲烷和二氧化碳在高温下转化为H2和CO,化学方程式为CH4+CO22CO+2H2;
因此,本题正确答案为:CH4+CO22CO+2H2;
(2) 2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g) △H=akJ/mol①
2CO(g)+3H2(g)CH3CHO(g)+H2O(g) △H=b kJ/mol②
2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) △H=ckJ/mo③
根据盖斯定律②×2+ ③ -① ×2得 2C2H5OH(g)+O2(g) 2CH3CHO(g)+2H2O(g) △H=(2b+c-2a)kJ/mol,
因此,本题正确答案为:2C2H5OH(g)+O2(g) 2CH3CHO(g)+2H2O(g) △H=(2b+c-2a)kJ/mol;
(3)列出三段式,设转化的CO的物质的量为2xmol,则
2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g)
起始(mol) 4 6 0 0
变化(mol) 2x 4x x x
平衡(mol) 4-2x 6-4x x x
平衡时容器中压强是起始压强的0.6倍,则=0.6,解得x=1,
则CO的平衡转化率为×100%=50%;
平衡时,CO、H2、C2H5OH、H2O的浓度分别为:1mol/L、1mol/L、0.5mol/L、0.5mol/L,
平衡常数K==
=0.25,
反应①:2CO(g)+4H2(g)C2H5OH(g)+H2O(g),
A项,反应前后气体物质量发生变化,因此平均分子量不变说明气体总物质的量不再改变,体系达到平衡状态;
B项,由于该体系是纯气体且容器体积不变,因此无论体系是否达到平衡状态混合气体的密度始终保持不变;
C项,CO和H2的起始物质的量之比为2:3,不等于化学计量数之比,因此只有达到平衡状态后二者的物质的量之比才不再改变;
D项,断开4 molH-H键说明消耗4mol氢气,断开3 mol H-O键说明消耗1mol乙醇和1mol水蒸气(乙醇和水中均含有H-O键),正逆反应速率相等,体系达到平衡状态。答案选B。
因此,本题正确答案为:50%;0.25;B;
(4)由图可知,醋酸与甲醇的质量比为2时甲醇的转化率和乙醇的选择性最高,同时醚类的选择性最低,为最佳质量比;生产中会发生酯化反应,随着醋酸浓度的增加酯化反应平衡右移,故一定范围内甲醇的转化率升高而醚类选择性降低,
因此,本题正确答案为:2;生产中会发生酯化反应,随着醋酸浓度的增加酯化反应平衡右移。
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