Question

某合成气的主要成分是一氧化碳和氢气，可用于合成甲醚等清洁燃料。由天然气获得该合成气过程中可能发生的反应有：

①CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)  ΔH₁＝＋206.1 kJ·mol^－1

②CH₄(g)＋CO₂(g)2CO(g)＋2H₂(g)  ΔH₂＝＋247.3 kJ·mol^－1

③CO(g)＋H₂O(g)CO₂(g)＋H₂(g)　ΔH₃

请回答下列问题：

(1)在一密闭容器中进行反应①，测得CH₄的物质的量浓度随反应时间的变化如图1所示。

图1

反应进行的前5 min内，v(H₂)＝________；10 min时，改变的外界条件可能是______________________________________________________________。

(2)如图2所示，在甲、乙两容器中分别充入等物质的量的CH₄和CO₂，使甲、乙两容器初始容积相等。在相同温度下发生反应②，并维持反应过程中温度不变。已知甲容器中CH₄的转化率随时间的变化如图3所示，请在图3中画出乙容器中CH₄的转化率随时间变化的图像。

(3)反应③中ΔH₃＝________。800 ℃时，反应③的平衡常数K＝1，测得该温度下密闭容器中某时刻各物质的物质的量见下表：

CO	H2O	CO2	H2
0.5 mol	8.5 mol	2.0 mol	2.0 mol

此时反应③中正、逆反应速率的关系式是________(填代号)。

a．v_正>v_逆　                          B．v_正<v_逆

c．v_正＝v_逆　                         D．无法判断

(4)用该合成气制取甲醚的化学方程式为______________________________。

该反应的原子利用率为________(设反应完全进行，用质量百分比表示)。

Answer 1

解析　(1)可根据图像先计算CH₄的反应速率，再计算H₂的生成速率。10 min时，改变的条件不可能是增大容器的体积(否则改变条件的瞬间CH₄浓度应突然减小)，由于c(CH₄)减小，平衡右移，故改变的条件可能是升高温度(或充入水蒸气)。(2)甲容器反应开始后压强增大，乙容器压强不变、体积增大，可看成是由甲减压得到乙，故乙容器的反应速率慢，平衡右移，CH₄的转化率大。(3)根据盖斯定律，反应①减去反应②即可得到反应③，进而通过计算求得ΔH₃。根据浓度商：＝0.94<K＝1，可知反应向正反应方向进行，即

v_正>v_逆。(4)根据质量守恒定律可知，反应的化学方程式为2CO＋4H₂===CH₃OCH₃＋H₂O，可以求出甲醚质量占反应物总质量的71.9%。

答案　(1)0.3 mol·L^－1·min^－1　升高温度(或充入水蒸气)

(2)

(3)－41.2 kJ·mol^－1a

(4)2CO＋4H₂===CH₃OCH₃＋H₂O　71.9%