Question

14．日常生活、生产中甲烷既是重要的清洁能源也是一种重要的化工原料．
（1）如图1是CH₄/H₂O体系放氢焓变示意图：则CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+123.8kJ•mol^-1．
（2）合成气（CO、H₂）是一种用途相当广泛的化工基础原料，常被用来合成很多有机物，如甲醇（CH₃OH）、二甲醚（CH₃OCH₃）等．
①在压强为0.1MPa条件下，物质的量之比为1：3的CO、H₂的混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H＜0．若容器体积不变，改变下列条件新平衡下甲醇体积分数增大的是D（填字母）．
A．升高温度                                   B．将CH₃OH（g）从体系中分离
C．充入N₂使体系总压强增大                    D．再充入1mol CO和3mol H₂
②二甲醚被誉为“21世纪的清洁燃料”．一定条件下利用H₂、CO合成CH₃OCH₃．其反应方程式为：3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），该反应的平衡常数表达式为$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）•{c}^{3}（CO）}$．最近研究发现一种新型的催化剂（主要成分是Cu、Mn的合金）对CO和H₂合成二甲醚具有较好的催化效率．根据如图2判断，催化剂中n（Mn）/n（Cu）约为2.0时最有利于二甲醚的合成．
③以甲醇为原料是合成二甲醚的又一途径：2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）．一定温度下，向2L某容器中充入一定量的CH₃OH，10s到达平衡后测得CH₃OH 0.04mol，CH₃OCH₃0.08mol，则用甲醇表示反应在10s内的平均反应速率为0.008mol•L^-1•s^-1，相同条件下起始时向该容器中充入CH₃OH 0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol、和H₂O 0.10mol，则反应将向正反应方向进行（填“正反应”或“逆反应”）．

Answer 1

分析 （1）由图象可知反应的热化学方程式为分别为①CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1、②CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+165.0kJ•mol^-1，②×2-①可得反应的热化学方程式；
（2）①使甲醇体积分数增大，应使平衡正向移动；
②已知3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），平衡常数为生成物与反应物浓度幂之积的比值；由图可知n（Mn）/n（Cu）约为2.0时，转化率选择性最大；
③10s到达平衡后测得CH₃OH 0.04mol，CH₃OCH₃0.08mol，由方程式可计算反应的甲醇的物质的量，进而计算反应速率，计算平衡常数，可判断反应进行的方向．

解答 解：（1）由图象可知反应的热化学方程式为分别为①CH₄（g）+2H₂O（g）=CO₂（g）+4H₂（g）△H=+206.2kJ•mol^-1、②CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）△H=+165.0kJ•mol^-1，②×2-①可得反应的热化学方程式为CH₄（g）+CO₂（g）=2CO（g）+2H₂（g）△H=+123.8kJ•mol^-1，
故答案为：+123.8kJ•mol^-1；
（2）①A．升高温度，平衡逆向移动，甲醇体积分数减小，故A错误；
 B．将CH₃OH（g）从体系中分离，虽然平衡正向移动，但甲醇体积分数减小，故B错误；
C．充入N₂使体系总压强增大，但参加反应的气体的浓度不变，平衡不移动，甲醇体积分数不变，故C错误；
D．再充入1mol CO和3mol H₂，平衡正向移动，甲醇体积分数增大，故D正确．
故答案为：D；
②已知3H₂（g）+3CO（g）?CH₃OCH₃（g）+CO₂（g），则K=$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）•{c}^{3}（CO）}$，由图可知，n（Mn）/n（Cu）约为2.0时，CO转化率较大，转化率选择性最大，最有利于二甲醚的合成，
故答案为：$\frac{c（C{H}_{3}OC{H}_{3}）•c（C{O}_{2}）}{{c}^{3}（{H}_{2}）•{c}^{3}（CO）}$； 2.0；
③2CH₃OH（g）?CH₃OCH₃（g）+H₂O（g）
起始（mol）   0.2                       0                       0
转化（mol）0.16                      0.08                   0.08
平衡（mol）0.04                       0.08                  0.08
则甲醇表示反应在10s内的平均反应速率为$\frac{\frac{0.16mol}{2L}}{10s}$=0.008mol•L^-1•s^-1，
体积为2L，则K=$\frac{0.04×0.04}{0.0{2}^{2}}$=4，
相同条件下起始时向该容器中充入CH₃OH 0.15mol、CH₃OCH₃0.15mol、和H₂O 0.10mol，则$\frac{0.075×0.050}{0.07{5}^{2}}$=0.67＜4，
则反应向正反应方向移动，
故答案为：0.008mol•L^-1•s^-1；正反应．

点评 本题化学平衡图象为载体考查化学平衡计算以及反应热与焓变知识，为高频考点，把握图中转化率、合成二甲醚的条件等为解答的关键，侧重分析与应用能力的考查，注意横坐标的含义，题目难度不大．