Question

7．甲醇是一種重要的化工原料，在生產中有著重要的應用．工業(yè)上用天然氣為原料，分為兩階段制備甲醇：
（i）制備合成氣：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H₁=+206.0kJ•mol^-1
（ii）合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H₂
請回答下列問題：
（1）制備合成氣：將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應（i）；CH₄的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖1．
①已知100℃時達到平衡的時間為5min，則從反應開始到平衡，用氫氣表示的平均反應速率為：v（H₂）=0.003mol•L^-1min^-1．
②圖中p₁＜p₂（填“＜”、”“＞”或“=”）．
③為解決合成氣中H₂過量而CO不足的問題，原料氣中需添加CO₂，發(fā)生反應如下：
CO₂（g）+H₂（g）?CO（g）+H₂O（g），為了使合成氣配比最佳，理論上原料氣中甲烷與二氧化碳體積比為3：1．
（2）合成甲醇：在Cu₂O/ZnO作催化劑的條件下，向2L的密閉容器中通入1mol CO（g）和2mol H₂（g），發(fā)生反應（ii），反應過程中，CH₃OH的物質的量（n）與時間（t）及溫度的關系如圖2．
①反應（ii）需在低溫（填“高溫”或“低溫”）才能自發(fā)進行．
 ②據研究，反應過程中起催化作用的為Cu₂O，反應體系中含少量的CO₂有利于維持Cu₂O的量不變，原因是Cu₂O+CO?2Cu+CO₂（用化學方程式表示）

 ③在500℃恒壓條件下，請在圖2中畫出反應體系中n（CH₃OH）隨時間t變化的總趨勢圖．
（3）工業(yè)上可通過甲醇羰基化法制取甲酸甲酯，其反應的熱化學方程式為：
CH₃OH（g）+CO（g）?HCOOCH₃（g）△H=-29.1kJ•mol^-1，科研人員對該反應進行了研究，部分研究結果如下：
①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率”看，工業(yè)制取甲酸甲酯應選擇的壓強是4.0×10⁶Pa（填“3.5×10⁶Pa”、“4.0×10⁶Pa”或“5.0×10⁶Pa”）．
②實際工業(yè)生產中采用的溫度是80℃，其理由是低于80℃，反應速率較�。桓哂�80℃時，溫度對反應速率影響較小，又因反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低．

Answer 1

分析 （1）①用H₂表示的平均反應速率可以根據甲烷的反應速率來求算，根據v=$\frac{△c}{△t}$來計算甲烷的反應速率；
②根據壓強對化學平衡移動的影響來回答，反應前后氣體體積增大，增大壓強，化學平衡逆向移動，甲烷的轉化率減小；
③①CH₄+H₂O（g）?CO+3H₂，②CO₂+H₂=CO+H₂O，③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），則①×3+②+③×4得3CH₄+CO₂+2H₂O=4CH₃OH；
（2）①依據反應自發(fā)進行的判斷依據是△H-T△S＜0分析判斷；
②在加熱條件下CO能還原Cu₂O使其減少，因此反應體系中含有少量二氧化有利于抑制反應向正反應方向移動，維持Cu₂O的量不變；
③結合影響反應速率和影響平衡移動的因素解答；
（3）①依據轉化率曲線分析判斷，圖象中轉化率變化最大的是4.0×10⁶Pa；
②圖象分析速率隨溫度變化的趨勢，低于80℃，反應速率較小，高于80℃時，溫度對反應速率影響較小，據此分析回答．

解答 解：（1）①根據圖象數據，用甲烷表示的平均反應速率v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.01mol/L×0.5}{5min}$=0.001mol/（L•min），氫氣的反應速率是甲烷化學反應速率的3倍，故用H₂表示的平均反應速率為0.0030mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.0030mol•L^-1•min^-1；
②根據化學方程式可以得出，反應前后氣體體積增大，增大壓強，化學平衡逆向移動，甲烷的轉化率減小，可以從200℃來分析，發(fā)現甲烷的轉化率是p₁時大于p₂時的，所以P₁＜P₂，
故答案為：＜；
③CH₄+H₂O（g）?CO+3H₂，②CO₂+H₂=CO+H₂O，③CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），則①×3+②+③×4得3CH₄+CO₂+2H₂O=4CH₃OH，所以為了使合成氣配比最佳，理論上原料氣中甲烷與二氧化碳體積比為3：1，
故答案為：3：1；
（2）①合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反應前后氣體體積減小，△S＜0，反應是放熱反應，△H＜0，滿足△H-T△S＜0，需要在低溫下自發(fā)進行；
故答案為：低溫；
 ②在加熱條件下CO能還原Cu₂O使其減少，因此反應體系中含有少量二氧化有利于抑制反應向正反應方向移動，維持Cu₂O的量不變，反應方程式為Cu₂O+CO?2Cu+CO₂，
故答案為：Cu₂O+CO?2Cu+CO₂；
③合成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），反應前后氣體體積減小，在500℃恒壓條件下，容器體積減小壓強增大，相當于增大了壓強，達到平衡時，畫出達平衡時間小于2s，由于平衡正向進行，所以畫出甲醇物質的量平衡時縱坐標高于恒容條件下甲醇物質的量得到圖象為；
故答案為：；
（3）①從反應壓強對甲醇轉化率的影響“效率“看，圖象中轉化率變化最大的是4.0×10⁶Pa，故答案為：4.0×10⁶Pa；
②依據圖象分析，低于80℃，反應速率較小，溫度在高于80°C對反應速率影響不大，反應是放熱反應，溫度過高，平衡逆向進行，不利于轉化率增大，
故答案為：低于80℃，反應速率較小，高于80℃時，溫度對反應速率影響較��；且反應放熱，升高溫度時平衡逆向移動，轉化率降低．

點評 本題考查反應速率概念計算，平衡標志的判斷，影響化學平衡、反應速率因素和圖象的分析，注意掌握基礎知識的掌握，題目難度中等．