Question

18．甲醇是有机化工原料和优质燃料，主要应用于精细化工、塑料等领域，也是农药、医药的重要原料之一，回答下列问题：
（1）工业上可用CO₂和H₂反应合成甲醇，已知25℃、101kPa下：
H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-242kJ•mol^-1
CH₃OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O△H₂=-676kJ•mol^-1
①写出CO₂与H₂反应生成CH₃OH（g）与H₂O（g）的热化学方程式CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol．
②下列表示合成甲醇反应的能量变化示意图中正确的是a（填字母）．

③合成甲醇所需的H₂可由下列反应制取：H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g），某温度下该反应的平衡常数K=1，若起始时c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•l^-1，则达到平衡时H₂O的转化率为33.3%．
（2）CO和H₂反应也能合成甲醇：CO（g）+2H₂?CH₃OH（g）△H=-90.1kJ•mol^-1，在250℃下，将一定量的CO和H₂投入10L的恒容密闭容器中，各物质的浓度（mol•L^-1）变化如下表所示（前6min没有改变条件）：

	2min	4min	6min	8min	…
CO	0.07	0.06	0.06	0.05	…
H2	x	0.12	0.12	0.2	…
CH3OH	0.03	0.04	0.04	0.05	…

①x=0.14，250℃时该反应的平衡常数K=46.3．
②若6～8min时只改变了一个条件，则改变的条件是加入1mol氢气，第8min时，该反应是否达到平衡状态？不是（填“是”或“不是”）
③该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度的原因是：
Ⅰ．此温度下的催化剂活性高；
Ⅱ．温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低．
（3）甲醇在催化剂条件下可以直接氧化成甲酸，在常温下，20.00mL0.1000mol•L^-1NaOH溶液与等体积、等浓度甲酸溶液混合后所得溶液的pH＞（填“＜”“＞”或“=”）7，原因是HCOO^-+H₂O?+HCOOH+OH^-（用离子方程式表示）．

Answer 1

分析 （1）①已知：Ⅰ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-242kJ/mol^-1
Ⅱ．CH₂OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol^-1
根据盖斯定律，Ⅰ×3-Ⅱ可得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g）；
②气态产物能量比液态产物能量高，由①分析可知，合成甲醇的反应为放热反应，反应物的能量高于生成物的能量；
③若起始时c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，设H₂O的浓度变化量为xmol/L，则：
              H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g），
起始量（mol/L）：2      1       0        0
变化量（mol/L）：x      x       x        x
平衡量（mol/L）：2-x    1-x     x        x
再根据平衡常数列方程计算解答；
（2）①由表中数据可知，从2min到4min，CO的浓度变化量为（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根据方程式计算氢气的浓度变化量，2min时氢气浓度=4min时氢气浓度+氢气浓度变化量；
4min与6min时，CO浓度相等，则4min、6min时反应处于平衡状态，平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$，代入平衡浓度计算；
②对比6min和8min时各物质的浓度可知改变条件后反应反应向正方向进行，按照转化量之比等于计量系数之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三种物质的浓度应为：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氢气的浓度为0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10=1mol的氢气；
计算浓度商Qc，与平衡常数相比判断第8min时是否达到平衡状态；
③该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度的原因是：此温度下的催化剂活性高；温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低；
（3）在常温下，20.00mL0.1000mol•L^-1NaOH溶液与等体积、等浓度HCOOH溶液混合后所得溶液为HCOONa，溶液中HCOO^-水解，溶液呈碱性．

解答 解：（1）①已知：Ⅰ．H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（g）△H₂=-242kJ/mol^-1
Ⅱ．CH₂OH（g）+$\frac{3}{2}$O₂═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₂=-676kJ/mol^-1
根据盖斯定律，Ⅰ×3-Ⅱ可得：CO₂（g）+3H₂（g）=CH₃OH（g）+H₂O（g），△H=3×（-242kJ/mol）-（-676kJ/mol）=-50 kJ/mol，
故热化学方程式为：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
故答案为：CO₂（g）+3H₂（g）═CH₃OH（g）+H₂O（g）△H=-50 kJ/mol；
②气态产物能量比液态产物能量高，由①分析可知，合成甲醇的反应为放热反应，反应物的能量高于生成物的能量，则符合条件的图象是a，
故选：a；
③若起始时c（CO）=1mol•L^-1，c（H₂O）=2mol•L^-1，设H₂O的浓度变化量为xmol/L，则：
               H₂O（g）+CO（g）?H₂（g）+CO₂（g）
起始量（mol/L）：2       1       0       0
变化量（mol/L）：x       x       x       x
平衡量（mol/L）：2-x     1-x     x       x
则$\frac{x×x}{（1-x）×（2-x）}$=4，解得x=$\frac{2}{3}$，
故水的转化率为$\frac{\frac{2}{3}mol/L}{2mol/L}$×100%=33.3%，
故答案为：33.3%；
（2）①由表中数据可知，从2min到4min，CO的浓度变化量为（0.07-0.06）mol/L=0.01mol/L，根据方程式可知氢气的浓度变化量为0.01mol/L×2=0.02mol/L，2min时氢气浓度=0.12mol/L+0.02mol/L=0.14mol/L，
4min与6min时，CO浓度相等，则4min、6min时反应处于平衡状态，故平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）×{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.04}{0.06×0.1{2}^{2}}$=46.3，
故答案为：0.14；46.3；
②对比6min和8min时各物质的浓度可知改变条件后反应反应向正方向进行，按照转化量之比等于计量系数之比△C（CO）：△C（H₂）：△C（CH₃OH）=0.01mol/L：0.02mol/L：0.01mol/L，所以8min后三种物质的浓度应为：（0.06-0.01）mol/L、（0.12-0.02）mol/L、（0.04+0.01）mol/L，而8min后氢气的浓度为0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10=1mol的氢气；
8min时浓度商Qc=$\frac{0.05}{0.05×0．{2}^{2}}$=25＜K=46.3，故8min时不是平衡状态，反应向正反应进行，
故答案为：加入1mol氢气；不是；
③该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度的原因是：此温度下的催化剂活性高；温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低，
故答案为：温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，而正反应为放热反应，温度过高，转化率降低；
（3）在常温下，20.00mL0.1000mol•L^-1NaOH溶液与等体积、等浓度HCOOH溶液混合后所得溶液为HCOONa，溶液中HCOO^-水解：HCOO^-+H₂O?+HCOOH+OH^-，溶液呈碱性，则pH＞7，
故答案为：＞；HCOO^-+H₂O?+HCOOH+OH^-．

点评 本题考查化学平衡计算及影响因素、平衡常数计算及应用、热化学方程式书写、盐类水解等，是对学生综合能力的考查，难度中等．