Question

10．合成氣（C0+H₂）在煤化工和天然氣化工中有著十分重要的地位，由合成氣可合成多種有機基礎原料和產品．
（一）煤化工生產中生產合成氣的反應為：C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）△H₁
已知：C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=C0（g）△H₂=-110.5kJ•mol^-1
     H₂（g）+$\frac{1}{2}$0₂（g）=H₂0（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
（1 ）反應C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）在高溫（填高溫或低溫）下自發(fā)進行，理由是△H₁=△H₂-△H₃=131.5kJ＞0，△S＞0．
（2）在恒溫恒容下，同時放入C（s）、H₂0（g）、CO（g）、H₂（g）四種物質，下列事實能夠說明反應C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g））已達到平衡的是ACD．
A．反應體系中，混合氣體的密度不再改變
B．反應體系中，各組分的物質的量相等
C．反應體系中，當有2molH-0鍵斷裂的同時有1molH-H鍵斷裂
D．混合氣體的平均相對分子質量為18且保持不變
（二）天然氣化工中生產合成氣的主要反應為：
   2CH₄（g）+0₂（g）?2C0（g）+4H₂（g）△H=-23kJ•mol^-1
在恒容容器中按物質的量之比1：2加入一定量的CH₄和O₂，在壓強為1.01×10⁵Pa、不同溫度下測得CH₄的平衡轉化率如圖所示：
（3）圖中所表示的CH₄的平衡轉化率隨溫度變化的曲線，實質上是多個反應共同作用的結果．與之相關的反應還有以下三個反應：
I．CH₄（g）+2O₂（g）?C0₂（g）+2H₂0（g）△H₅=-802kJ•mol^-1
Ⅱ．CH₄（g）+H₂O（g）?C0（g）+3H₂（g）△H₆=+201kJ•mol^-1
Ⅲ．CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）△H₇=-35kJ•mol^-1
你認為上述反應中，在高溫下占主導地位的是Ⅱ（填反應序號）．
（4）根據(jù)平衡移動原理，請在圖中畫出壓強為5.05×10⁵Pa時CH₄的平衡轉化率隨溫度的變化曲線．
（5）工業(yè)上常用選擇性來判斷不同反應條件下目標產物的產率，即：選擇性=$\frac{目標產物的產率}{反應原料的轉化率}$，現(xiàn)有實驗測得反應2CH₄（g）+0₂（g）?2CO（g）+4H₂（g）在750℃下，以不同碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]投料時反應達平衡后CH₄的轉化率及H₂、CO的選擇性，所測數(shù)據(jù)如表所示：

碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]	1：0.25	1：0.5	1：1	1：1.25
CH4轉化率	0.40	0.88	0.98	0.99
H2選擇性	0.98	0.93	0.67	0.40
CO選擇性	0.99	0.94	0.65	0.32

最佳碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]為1：0.5．假設按碳氧比[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]=l：1投料，反應容器的體積為VL，通入CH₄和0₂各amol，請列式表示平衡時容器內C0的濃度（用a、V的代數(shù)式表示）$\frac{a×0.98×0.65}{V}$mol/L．

Answer 1

分析 （1）已知①C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）△H₁
②C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=C0（g）△H₂=-110.5kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$0₂（g）=H₂0（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律①=②-③，△H₁=△H₂-△H₃，再根據(jù)反應自發(fā)進行的判斷依據(jù)△G=△H-T△S判斷；
（2）根據(jù)化學平衡時，正逆反應速率相等，各組分含量保持不變進行分析；
（3）根據(jù)高溫時，有利于吸熱反應；
（4）該反應是個體積增大的反應，壓強增大，反應逆向移動，甲烷的轉化率較�。�
（5）根據(jù)圖表數(shù)據(jù)，CH₄的轉化率及H₂、CO的選擇性，均較大為最佳碳氧比；再由選擇性=$\frac{目標產物的產率}{反應原料的轉化率}$和目標產物的產率=$\frac{目標產物實際量}{目標產物的理論產量}$計算．

解答 解：（1）已知①C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g）△H₁
②C（s）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=C0（g）△H₂=-110.5kJ•mol^-1
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$0₂（g）=H₂0（g）△H₃=-242kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律①=②-③，△H₁=△H₂-△H₃=131.5kJ＞0，反應①氣體體積減小，則△S＞0，當溫度較高時，△G=△H-T△S＜0，能自發(fā)進行；
故答案為：高溫；△H₁=△H₂-△H₃=131.5kJ＞0，△S＞0；
（2）反應C（s）+H₂0（g）?C0（g）+H₂（g））
A．恒溫恒容，則體積不變，而混合氣體的質量增大，即隨著反應的進行ρ=$\frac{m}{V}$增大，混合氣體的密度不再改變時說明反應到達平衡狀態(tài)，故A正確；
B．各組分的物質的量相等不能說明反應平衡，故B錯誤；
C．反應體系中，當有2molH-0鍵斷裂說明有1molH-H鍵生成，同時有1molH-H鍵斷裂，說明正逆反應速率相等，反應平衡，故C正確；
D．隨著反應的進行混合氣體的總質量和總物質的量均變化，混合氣體的平均相對分子質量為18且保持不變時，反應達到平衡，故D正確；
故答案為；ACD；
（3）高溫時，有利于吸熱反應，故Ⅱ占主導作用，故答案為：Ⅱ；
（4）該反應是個體積增大的反應，壓強增大，反應逆向移動，甲烷的轉化率較小所以圖象為；
故答案為：；
（5）CH₄的轉化率及H₂、CO的選擇性，均較大時為最佳碳氧比，根據(jù)圖表數(shù)據(jù)，最佳碳氧比為1：0.5；
反應2CH₄（g）+0₂（g）?2CO（g）+4H₂（g），通入CH₄和0₂各amol時，CO理論生成amol，則CO的產率為：$\frac{n（CO）}{a}$，由圖表數(shù)據(jù)，[$\frac{n（C{H}_{4}）}{n（{O}_{2}）}$]=l：1時，CH₄的轉化率為0.98，CO的選擇性為0.65，則有：0.65=$\frac{\frac{n（CO）}{a}}{0.98}$
則n（CO）=a×0.98×0.65mol，則c（CO）=$\frac{a×0.98×0.65}{V}$mol/L；
故答案為：1：0.5；$\frac{a×0.98×0.65}{V}$mol/L．

點評 本題考查了反應自發(fā)進行的條件，化學平衡的判斷以及有關化學平衡的計算，題目較靈活，難度較大，（5）題讀懂題目給出的信息是關鍵．