Question

4．甲烷自熱氧化重整是工業上獲得氫氣的重要方法，其反應為：
2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol．
（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=bkJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂
③CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₃=ckJ/mol．
則△H₂=（2a-b-2c）kJ/mol（用含a、b、c的代數式表示）．
（2）以CO、H₂為原料合成甲醇的反應為：CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．在體積均為2L的三個恒容密閉容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分別都充入1molCO和2molH₂，三個容器的反應溫度分別為T₁、T₂、T₃且恒定不變．圖1為三個容器中的反應均進行到5min時H₂的體積分數示意圖，其中有一個容器反應一定達到平衡狀態．CO的平衡轉化率在不同壓強下隨溫度的變化如圖2所示．

①0～5min時間內容器II中用CH₃OH表示的反應速率為0.0875mol/（L•min）．
②三個容器中一定達到平衡狀態的是容器II．
③當三個容器中的反應均達到平衡狀態時，CO的轉化率最低的是容器III．
④平衡常數最大的是容器I．
⑤工業實際合成CH₃OH生產中，常用圖中M點而不是N點對應的反應條件，運用化學反應速率和平衡知識，同時考慮生產實際，說明選擇該反應條件的理由：相對于N點而言，采用M點，溫度在500～600K之間，溫度較高，反應速率較快，CO的平均轉化率也較高，壓強為常壓，對設備要求不高．
（3）合成甲醇尾氣中CO的濃度常用電化學氣敏傳感器進行測量，其中CO傳感器可用圖3簡單表示，則陽極發生的電極反應為CO+H₂O-2e^-=CO₂+2H⁺．

Answer 1

分析 （1）利用蓋斯定律分析，不管化學反應是一步或分幾步完成，其反應熱是不變的；根據目標方程改寫分方程，然后求出反應熱；
（2）①利用三段式求出反應生成的甲醇的物質的量濃度，再根據v=$\frac{△c}{t}$計算；
②達到平衡狀態時氫氣的轉化率最大，氫氣的體積分數最小；
③氫氣的體積分數最大時，CO的轉化率最小；
④該反應為放熱反應，溫度越低，反應向正方向進行的程度越大；
⑤根據溫度、壓強對反應速率的影響以及對設備的要求分析；
（3）依據電解原理分析，陽極是失電子發生氧化反應的物質，結合圖示可知是一氧化碳失電子生成二氧化碳．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=bkJ/mol
②CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂
③CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）△H₃=ckJ/mol
④2CH₄（g）+O₂（g）═2CO（g）+4H₂（g）△H=akJ/mol
根據蓋斯定律：2×④-①-2×③得到CH₄（g）+CO₂（g）═2CO（g）+2H₂（g）△H₂=（2a-b-2c）kJ/mol，
故答案為：（2a-b-2c）；
（2）①設反應生成的甲醇為xmol/L，
               CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）．
開始（mol/L）：0.5      1         0
轉化（mol/L）：x        2x        x
平衡（mol/L）：0.5-x    1-2x      x
到5min時，氫氣的體積分數為0.2，則$\frac{1-2x}{0.5-x+1-2x+x}$=0.2，則x=0.375mol/L，
則v=$\frac{△c}{t}$=$\frac{0.4375mol/L}{5min}$=0.0875mol/（L•min）；
②達到平衡狀態時氫氣的轉化率最大，氫氣的體積分數最小，II對應的氫氣的體積分數最小，所以II可能達到了平衡狀態；
故答案為：II；
③氫氣的體積分數最大時，CO的轉化率最小，已知III時，氫氣的體積分數最大，轉化率最小；
故答案為：III；
④由圖2可知，升高溫度CO的轉化率減小，即向逆反應移動，所以該反應為放熱反應，溫度越低，反應向正方向進行的程度越大，K越大，已知I的溫度最低，則其K最大；
故答案為：I；
⑤相對于N點而言，采用M點，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應速率較快，氫氣的平衡轉化率也較高，壓強為常壓對設備要求不高，
故答案為：相對于N點而言，采用M點，溫度在500-600K之間，溫度較高，反應速率較快，氫氣的平衡轉化率也較高，壓強為常壓對設備要求不高；
（3）陽極是失電子發生氧化反應的物質，結合圖示可知是一氧化碳失電子生成二氧化碳同時生成氫離子，電極反應為：CO+H₂O-2e^-=CO₂+2H⁺，
故答案為：CO+H₂O-2e^-═CO₂+2H⁺．

點評 本題考查了反應熱的計算、化學平衡計算與影響因素、化學平衡圖象、反應速率與平衡常數、電解原理的應用等，注意理解掌握化學平衡的計算方法，難度中等，側重于考查學生的分析能力和計算能力．