Question

11．碳和碳的化合物在生产、生活中有重要的作用．甲醇水蒸气重整制氢系统可能发生下列三个反应：
①CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol
③CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
（1）反应①和②在一定条件下均能自发进行的原因两个反应均为熵增的反应，反应①△H＜0，△S＞0，则△H-T△S＜0，反应②△H＞0，△S＞0，高温下则△H-T△S＜0．
（2）根据化学原理分析升高温度对反应②的影响反应速率加快，有利于向正反应方向移动；
（3）控制反应条件，反应①中的产物也可以用来合成甲醇和二甲醚，其中合成二甲醚的化学方程式为：
3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），在相同条件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡转化率随氢碳比[$\frac{n（{H}_{2}）}{n（CO）}$]的变化如图1所示：

合成二甲醚的最佳氢碳比为1：1，提高二甲醚反应选择的关键因素是催化剂．
（4）将1molCO和2molH₂充入密闭容器中生成甲醇CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.1Kjmol^-1．在其他条件相同时，CO的平衡转化率[a（CO）]与压强（p）和温度（T）的关系如图2所示
A、B两点CH₃OH的质量分数w（A）＞   w（B）（填“＞”、“＜”或“=”），理由为该反应为放热反应，A点温度低于B点，升高温度，平衡向逆反应方向移动，CO的平衡转化率减小，CH₃OH的质量分数减小．
?C、D两点的逆反应速率：V正（C）＞ V逆（D）（填“＞”、“＜”或“=”），理由为该反应为有气体参与的反应，C点压强大于D点，增大压强，反应速率越快．
?200℃时，测得E点的容器容积为10L．该温度下，反应的平衡常数K=2500；保持温度和容积不变，再向容器中冲入1molCO、1molH₂和xmolCH₃OH时，若使V_正＞V_逆，则x的取值范围为0＜x＜58．

Answer 1

分析 （1）反应自发进行的判断依据是△H-T△S＜0；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反应是气体体积增大的吸热反应，升温增大反应速率平衡正向进行；
（3）依据化学方程式定量关系分析按照化学方程式中定量关系是恰好反应的最佳比，反应进行的关键是选择合适催化剂促进反应快速进行；
（4）A、B两点压强一定，温度越高CO的平衡转化率越小，说明升温平衡逆向进行；
CD两点是等温线上的不同点，压强不同，压强越大CO的平衡转化率越大，反应速率越大；
200℃时，测得E点的容器容积为10L．结合化学平衡三行计算列式计算平衡浓度来计算该温度下反应的平衡常数K，保持温度和容积不变，再向容器中冲入1molCO、1molH₂和xmolCH₃OH时，计算此时浓度商Qc，若使V_正＞V_逆，Qc＜K．

解答 解：（1）CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g）△H₂=+90.8kJ/mol．反应△H＜0，△S＞0，则△H-T△S＜0，反应自发进行，
②CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反应△H＞0，△S＞0，高温下则△H-T△S＜0，反应自发进行，
两个反应均为熵增的反应，反应①△H＜0，△S＞0，则△H-T△S＜0，反应②△H＞0，△S＞0，高温下则△H-T△S＜0，
故答案为：两个反应均为熵增的反应，反应①△H＜0，△S＞0，则△H-T△S＜0，反应②△H＞0，△S＞0，高温下则△H-T△S＜0；
（2）CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）△H₂=+49kJ/mol，反应是气体体积增大的吸热反应，升高温度反应速率加快，升高温度有利于反应②向正反应方向移动，
故答案为：反应速率加快，有利于向正反应方向移动；
（3）3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），图象分析可知在相同条件下合成二甲醚和合成甲醇的原料平衡转化率随氢碳比增大而减小，合成二甲醚的最佳氢碳比为1：1，此时反应物转化率最大为80%，提高二甲醚反应选择的关键因素是选择催化剂，
故答案为：1：1；催化剂；
（4）A点温度低于B点，该反应为放热反应，升高温度，平衡向逆反应方向移动，故CH₃OH的质量分数ω（A）＞ω（B），
该反应为有气体参与的反应，C点压强大于D点，增大压强，反应速率越快，逆反应速率：v_正（C）＞v_逆（D），
E点CO转化率为80%，转化的CO为0.8mol，则：
                       CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol）：1             2               0
变化量（mol）：0.8         1.6            0.8
平衡量（mol）：0.2         0.4           0.8
容器体积为10L，则平衡常数K=$\frac{c（C{H}_{3}OH）}{c（CO）{c}^{2}（{H}_{2}）}$=$\frac{\frac{0.8}{10}}{\frac{0.2}{10}×（\frac{0.4}{10}）^{2}}$=2500，
保持温度和容积不变，再向容器中充入1molCO、1molH₂和xmolCH₃OH时，若使v_正＞v_逆，反应正向进行，则浓度商Qc=$\frac{\frac{0.8+x}{10}}{\frac{1+0.2}{10}×（\frac{1+0.4}{10}）^{2}}$＜2500，解得x＜58，故0＜x＜58
故答案为：＞；该反应为放热反应，A点温度低于B点，升高温度，平衡向逆反应方向移动，CO的平衡转化率减小，CH₃OH的质量分数减小；
＞；该反应为有气体参与的反应，C点压强大于D点，增大压强，反应速率越快，
2500；0＜x＜58．

点评 本题考查比较综合，涉及反应热计算、化学平衡图象与影响因素、平衡常数计算及应用、电离平衡常数等，侧重考查学生信息获取与知识迁移运用，题目难度中等．