Question

14．甲醇来源丰富、价格低廉、运输贮存方便，是一种重要的化工原料，有着重要的用途和应用前景．工业生产甲醇的常用方法是：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8 kJ•mol^-1
（1）已知：2H₂（g）+O₂（g）═2H₂O （l）△H=-571.6 kJ•mol^-1
H₂（g）+1/2O₂（g）═H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
 则CH₃OH（g）+O₂（g）═CO（g）+2H₂O（g）的反应热△H=-392.8kJ•mol^-1．
（2）将1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容积为100L的反应室，在一定条件下发生反应：CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g），测得在一定的压强下CH₄的转化率与温度的关系如图1．
①假设100℃时达到平衡所需的时间为5 min，则用H₂表示该反应的平均反应速率为0.003 mol•L^-1•min^-1．
②100℃时反应的平衡常数为2.25×10^-4．
（3）工业上利用甲醇制备氢气的常用方法有两种：
①甲醇蒸汽重整法．该法中的一个主要反应为CH₃OH（g）?CO（g）+2H₂（g），此反应能自发进行的原因是该反应是一个熵增的反应．
②甲醇部分氧化法．在一定温度下以Ag/CeO₂-ZnO为催化剂时原料气比例对反应的选择性（选择性越大，表示生成的该物质越多）影响关系如图2所示．则当n（O₂）/n（CH₃OH）=0.25时，CH₃OH与O₂发生的主要反应方程式为2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化剂}$2HCHO+2H₂O；在制备H₂时最好控制n（O₂）：n（CH₃OH）=0.5．

Answer 1

分析 （1）已知：①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H=-571.6 kJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8 kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②×2-③可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g）；
（2）将1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容积为100L的反应室，100℃时5min达到平衡，平衡时甲烷转化率为50%，则转化的甲烷为0.5mol，则：
            CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）：1        2       0       0
变化量（mol）：0.5      0.5     0.5     1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5     0.5     1.5
①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂）；
②根据K=$\frac{c（CO）×c{\;}^{3}（H{\;}^{2}）}{c（CH{\;}_{4}）×c（H{\;}_{2}O）}$计算平衡常数；
（3）①正反应气体物质的量增大，混乱度增大，混乱度增大具有自发性；
②由图可知，当$\frac{n（O{\;}_{2}）}{n（CH{\;}_{3}OH）}$=0.25时，氢气、CO选择性比较小，而HCHO的选择性很大，故主要生成HCHO，结合C、H原子比例关系，应还有水生成；
制备H₂时最好，应控制氢气选择性很大，CO、HCHO选择性很小．

解答 解：（1）已知：①2H₂（g）+O₂（g）=2H₂O （l）△H=-571.6 kJ•mol^-1
②H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=H₂O（g）△H=-241.8kJ•mol^-1
③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-90.8 kJ•mol^-1
根据盖斯定律，②×2-③可得：CH₃OH（g）+O₂（g）=CO（g）+2H₂O（g），故△H=2×（-241.8kJ•mol^-1）-（-90.8kJ•mol^-1）=-392.8kJ•mol^-1，
故答案为：-392.8；
（2）将1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容积为100L的反应室，100℃时5min达到平衡，平衡时甲烷转化率为50%，则转化的甲烷为0.5mol，则：
            CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
起始量（mol）：1        2       0       0
变化量（mol）：0.5      0.5     0.5     1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5     0.5     1.5
①则v（H₂）=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②100℃时反应的平衡常数K=$\frac{c（CO）×c{\;}^{3}（H{\;}^{2}）}{c（CH{\;}_{4}）×c（H{\;}_{2}O）}$=$\frac{0.005×0.015{\;}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案为：2.25×10^-4；
（3）①正反应气体物质的量增大，该反应是一个熵增的反应，反应能自发进行，
故答案为：该反应是一个熵增的反应；
②由图可知，当$\frac{n（O{\;}_{2}）}{n（CH{\;}_{3}OH）}$=0.25时，氢气、CO选择性比较小，而HCHO的选择性很大，故主要生成HCHO，结合C、H原子比例关系，应还有水生成，反应方程式为：2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化剂}$2HCHO+2H₂O；
制备H₂时最好，应控制氢气选择性很大，CO、HCHO选择性很小，由图可知在制备H₂时最好控制$\frac{n（O{\;}_{2}）}{n（CH{\;}_{3}OH）}$=0.5，
故答案为：2CH₃OH+O₂$→_{△}^{催化剂}$2HCHO+2H₂O；0.5．

点评 本题考查化学平衡计算、反应热计算、反应自发性、化学图象问题等，是对学生综合能力的考查，较好地考查学生分析计算能力、获取信息能力，需要学生具备扎实的基础，难度中等．