Question

6．天然气是一种重要的清洁能源和化工原料，其主要成分为甲烷．
（1）工业上可用煤制天然气，生产过程中有多种途径生成CH₄．
已知：CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
则CO与H₂反应生成CH₄（g）和H₂O（g）的热化学方程式为CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1．
（2）天然气中的H₂S杂质常用氨水吸收，产物为NH₄HS．一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并再生出吸收液，则该反应的化学方程式为2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件下\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓．
（3）天然气的一个重要用途是制取H₂，其原理为：CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g）．在密闭
容器中通入物质的量浓度均为0.1mol•L^-1的CH₄与CO₂，在一定条件下发生反应，测得CH₄的平衡转
化率与温度及压强的关系如图1所示，则压强P₁＜P₂（填“＞”或“＜”）；压强为P₂时，在
Y点：v（正）＞v（逆）（填“＞”、“＜”或“=”）；写出X点对应温度下的该反应的平衡常数计算式K=$\frac{0.16{\;}^{2}×0.16{\;}^{2}}{0.02×0.02}$（不必计算出结果）．
（4）以二氧化钛表面覆盖CuAl₂O₄ 为催化剂，可以将CH₄和CO₂直接转化成乙酸．

①在不同温度下催化剂的催化效率与乙酸的
生成速率如图2所示．在275～400℃之间，乙酸的生成速率先降低后升高的原因是275～300℃时催化剂的催化效率降低，化学反应速率降低，300～400℃时温度升高，化学反应速率又加快．
②为了提高该反应中CH₄的转化率，可以采取的措施是（写一条）增大反应压强或增大CO₂的浓度．
③乙酸（用HAc表示）电离方程式为HAc?H⁺+Ac^-，电离常数用K_a表示；乙酸根的水解方程式为Ac^-+H₂O?OH^-+HAc，水解常数用K_h表示，则K_h=$\frac{K{\;}_{w}}{K{\;}_{a}}$（用K_a和水的离子积K_W表示）．

Answer 1

分析 （1）已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②+③-①计算；
（2）根据元素守恒和电子得失守恒写出化学方程式；
（3）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小；压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动；X点CH₄的平衡转
化率为80%，根据化学平衡常数K=$\frac{c{\;}^{2}（CO）c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}{c（CO{\;}_{2}）c（CH{\;}_{4}）}$结合三组量代入计算；
（4）①由图可知，温度超过275～300℃时，催化剂的催化效率降低，所以温度升高而乙酸的生成速率降低；300～400℃时温度升高，化学反应速率加快；
②提高该反应中CH₄的转化率，改变条件应使平衡向正反应方向移动，注意不能只增大甲烷的浓度，否则甲烷的转化率降低；
③写出醋酸电离平衡常数、醋酸根离子水解平衡常数，水的离子积常数进行比较，从而得出结论．

解答 解：（1）已知：①CO（g）+H₂O（g）?H₂（g）+CO₂（g）△H=-41kJ•mol^-1
②C（s）+2H₂（g）?CH₄（g）△H=-73kJ•mol^-1
③2CO（g）?C（s）+CO₂（g）△H=-171kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②+③-①得：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-73-171+41=-203kJ•mol^-1，
故答案为：CO（g）+3H₂（g）=CH₄（g）+H₂O（g）△H=-203kJ•mol^-1；
（2）一定条件下向NH₄HS溶液中通入空气，得到单质硫并再生出吸收液即氨水，则根据元素守恒及题中的反应物和生成物可知化学方程式为：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件下\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓，故答案为：2NH₄HS+O₂$\frac{\underline{\;一定条件下\;}}{\;}$2NH₃•H₂O+2S↓；
（3）该反应正向为体积增大的方向，压强越大，CH₄的转化率越小，已知相同温度下，P₁条件下的转化率大于P₂，则P₁小于P₂；压强为P₂时，在Y点反应未达到平衡，则反应正向移动，所以v（正）大于v（逆）；
X点CH₄的平衡转化率为80%，
则 CO₂（g）+CH₄（g）?2CO（g）+2H₂（g），
开始0.1              0.1               0                0
转化0.08           0.08             0.16            0.16
平衡0.02           0.02             0.16            0.16
其平衡常数表达式是K=$\frac{c{\;}^{2}（CO）c{\;}^{2}（H{\;}_{2}）}{c（CO{\;}_{2}）c（CH{\;}_{4}）}$=$\frac{0.16{\;}^{2}×0.16{\;}^{2}}{0.02×0.02}$，
故答案为：＜；＞；$\frac{0.16{\;}^{2}×0.16{\;}^{2}}{0.02×0.02}$；
（4）①温度超过275～300℃时，催化剂的催化效率降低，所以温度升高而乙酸的生成速率降低；300～400℃时温度升高，化学反应速率加快；
，故答案为：275～300℃时催化剂的催化效率降低，化学反应速率降低，300～400℃时温度升高，化学反应速率又加快；
②提高该反应中CH₄的转化率，改变条件应使平衡向正反应方向移动，正反应是气体体积减小的反应，缩小容器体积增大压强、增大CO₂的浓度，平衡正向移动，反应物转化率增大，故答案为：增大反应压强或增大CO₂的浓度；
③电离方程式为HAc?H⁺+Ac^-，电离常数用Ka=$\frac{c（Ac{\;}^{-}）c（H{\;}^{+}）}{c（HAc）}$，乙酸根的水解方程式为Ac^-+H₂O?OH^-+HAc，水解常数用K_h=$\frac{c（HAc）c（OH{\;}^{-}）}{c（Ac{\;}^{-}）}$，Kw=c（H⁺）．c（OH^-），所以K_a•K_h=K_w，则
K_h=$\frac{K{\;}_{w}}{K{\;}_{a}}$，故答案为：$\frac{K{\;}_{w}}{K{\;}_{a}}$．

点评 本题考查了盖斯定律的应用、方程式的书写、化学平衡常数、平衡移动等，题目涉及的知识点较多，侧重于考查学生对基础知识的综合应用能力，题目难度中等．