Question

4．甲烷自热氧化重整是工业上获得氢气的重要方法，其反应为：
2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol．
（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=bkJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂
③CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₃=ckJ/mol．
则△H₂=（2a-b-2c）kJ/mol（用含a、b、c的代数式表示）．
（2）以CO、H₂为原料合成甲醇的反应为：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．在体积均为2L的三个恒容密闭容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分别都充入1molCO和2molH₂，三个容器的反应温度分别为T₁、T₂、T₃且恒定不变．图1为三个容器中的反应均进行到5min时H₂的体积分数示意图，其中有一个容器反应一定达到平衡状态．CO的平衡转化率在不同压强下随温度的变化如图2所示．

①0～5min时间内容器II中用CH₃OH表示的反应速率为0.0875mol/（L•min）．
②三个容器中一定达到平衡状态的是容器II．
③当三个容器中的反应均达到平衡状态时，CO的转化率最低的是容器III．
④平衡常数最大的是容器I．
⑤工业实际合成CH₃OH生产中，常用图中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑生产实际，说明选择该反应条件的理由：相对于N点而言，采用M点，温度在500～600K之间，温度较高，反应速率较快，CO的平均转化率也较高，压强为常压，对设备要求不高．
（3）合成甲醇尾气中CO的浓度常用电化学气敏传感器进行测量，其中CO传感器可用图3简单表示，则阳极发生的电极反应为CO+H₂O-2e^-=CO₂+2H⁺．

Answer 1

分析 （1）利用盖斯定律分析，不管化学反应是一步或分几步完成，其反应热是不变的；根据目标方程改写分方程，然后求出反应热；
（2）①利用三段式求出反应生成的甲醇的物质的量浓度，再根据v=$\frac{△c}{t}$计算；
②达到平衡状态时氢气的转化率最大，氢气的体积分数最小；
③氢气的体积分数最大时，CO的转化率最小；
④该反应为放热反应，温度越低，反应向正方向进行的程度越大；
⑤根据温度、压强对反应速率的影响以及对设备的要求分析；
（3）依据电解原理分析，阳极是失电子发生氧化反应的物质，结合图示可知是一氧化碳失电子生成二氧化碳．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=bkJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂
③CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₃=ckJ/mol
④2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
根据盖斯定律：2×④-①-2×③得到CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂=（2a-b-2c）kJ/mol，
故答案为：（2a-b-2c）；
（2）①设反应生成的甲醇为xmol/L，
               CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．
开始（mol/L）：0.5      1         0
转化（mol/L）：x        2x        x
平衡（mol/L）：0.5-x    1-2x      x
到5min时，氢气的体积分数为0.2，则$\frac{1-2x}{0.5-x+1-2x+x}$=0.2，则x=0.375mol/L，
则v=$\frac{△c}{t}$=$\frac{0.4375mol/L}{5min}$=0.0875mol/（L•min）；
②达到平衡状态时氢气的转化率最大，氢气的体积分数最小，II对应的氢气的体积分数最小，所以II可能达到了平衡状态；
故答案为：II；
③氢气的体积分数最大时，CO的转化率最小，已知III时，氢气的体积分数最大，转化率最小；
故答案为：III；
④由图2可知，升高温度CO的转化率减小，即向逆反应移动，所以该反应为放热反应，温度越低，反应向正方向进行的程度越大，K越大，已知I的温度最低，则其K最大；
故答案为：I；
⑤相对于N点而言，采用M点，温度在500-600K之间，温度较高，反应速率较快，氢气的平衡转化率也较高，压强为常压对设备要求不高，
故答案为：相对于N点而言，采用M点，温度在500-600K之间，温度较高，反应速率较快，氢气的平衡转化率也较高，压强为常压对设备要求不高；
（3）阳极是失电子发生氧化反应的物质，结合图示可知是一氧化碳失电子生成二氧化碳同时生成氢离子，电极反应为：CO+H₂O-2e^-=CO₂+2H⁺，
故答案为：CO+H₂O-2e^-═CO₂+2H⁺．

点评 本题考查了反应热的计算、化学平衡计算与影响因素、化学平衡图象、反应速率与平衡常数、电解原理的应用等，注意理解掌握化学平衡的计算方法，难度中等，侧重于考查学生的分析能力和计算能力．