Question

12．甲醇和乙醇是重要的化工原料，也是清潔的能源．
（1）工業上利用乙酸甲酯和氫氣加成制備乙醇的技術比較成熟．主要反應如下：
反應①：CH₃COOCH₃（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）+C₂H₅OH（g）△H₁
反應②：CH₃COOCH₃（g）+C₂H₅OH（g）?CH₃COOC₂H₅（g）+CH₃OH（g）△H₂＞0
反應③：C₂H₅OH（g）?CH₃CHO（g）+H₂（g）△H₃＞0
①分析增大壓強對制備乙醇的影響增大壓強，也能提高反應速率．反應①為氣體分子數減小的反應，反應②氣體分子數不變，反應③為氣體分子數變大的反應，增大壓強反應①平衡正向移動，反應②平衡不移動，反應③平衡逆向移動，總結果，乙醇含量增大．
②反應①乙酸甲酯的平衡轉化率與溫度和氫碳比（$\frac{n（{H}_{2}）}{n（乙酸甲酯）}$）的關系如圖1．
該反應的平衡常數K隨溫度升高變小．（填“變大”“不變”或“變小”）；氫碳比最大的是曲線c．

（2）①利用反應CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）合成甲醇．某溫度下，向容積為2L的密閉容器中加入1mol CO和2mol H₂，CO轉化率的變化如圖2所示，該溫度下的平衡常數為4（保留兩位有效數字，下同），若起始壓強為12.6MPa，則10min時容器的壓強為9.4 MPa．
②若保持其它條件不變，起始時加入2mol CO和2mol H₂，再次達到平衡，相應的點是B．
（3）氫氣可用CH₄制備：CH₄（g）+H₂O（1）?CO（g）+3H₂（g）△H=+250.1kJ•mol^-1．已知CO（g）、H₂（g）的燃燒熱依次為283.0kJ•mol^-1、285.8kJ•mol^-1，請寫出表示甲烷燃燒熱的熱化學方程式CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol．以CH₄（g）為燃料可以設計甲烷燃料電池，已知該電池的能量轉換效率為86.4%，則該電池的比能量為$\frac{4.8×1{0}^{7}J}{3.6×1{0}^{6}J}$kW•h•kg^-1（只列計算式，比能量=$\frac{電池輸出電能（kW•h）}{燃料質量（kg）}$，lkW•h=3.6×10⁶J）．

Answer 1

分析 （1）壓強越大反應速率越快，而反應①：CH₃COOCH₃（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）+C₂H₅OH（g）正向氣體計量數減小，
反應②：CH₃COOCH₃（g）+C₂H₅OH（g）?CH₃COOC₂H₅（g）+CH₃OH（g）兩邊氣體計量數相等，反應③：C₂H₅OH（g）?CH₃CHO（g）+H₂（g）正向氣體計量數增加；
②溫度越高乙酸甲酯的平衡轉化率越小，所以平衡逆向移動，所以正反應是放熱反應；乙酸甲酯的轉化率越小，則氫碳比（$\frac{n（{H}_{2}）}{n（乙酸甲酯）}$）越大；
（2）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L） 0.5          1
變化量（mol/L） 0.25       0.5              0.25
平衡量（mol/L） 0.25       0.5              0.25
平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$；壓強之比等于物質的量之比；
②若保持其它條件不變，起始時加入2mol CO和2mol H₂，相當于在原平衡的基礎上加入一氧化碳的量，一氧化碳的轉化率減小；
（3）根據蓋斯定律解題；設燃料為1kg計算．

解答 解：（1）壓強越大反應速率越快，而反應①：CH₃COOCH₃（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）+C₂H₅OH（g）正向氣體計量數減小，所以平衡正向移動，
反應②：CH₃COOCH₃（g）+C₂H₅OH（g）?CH₃COOC₂H₅（g）+CH₃OH（g）兩邊氣體計量數相等，增大壓強平衡不移動，反應③：C₂H₅OH（g）?CH₃CHO（g）+H₂（g）正向氣體計量數增加，增大壓強平衡逆向移動，故答案為：增大壓強，也能提高反應速率．反應①為氣體分子數減小的反應，反應②氣體分子數不變，反應③為氣體分子數變大的反應，增大壓強反應①平衡正向移動，反應②平衡不移動，反應③平衡逆向移動，總結果，乙醇含量增大；
②溫度越高乙酸甲酯的平衡轉化率越小，所以平衡逆向移動，所以正反應是放熱反應，所以溫度升高K值減小；乙酸甲酯的轉化率越小，則氫碳比（$\frac{n（{H}_{2}）}{n（乙酸甲酯）}$）越大，所以最大的是c，故答案為：變小；  c；
（2）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L） 0.5         1                  0
變化量（mol/L） 0.25      0.5               0.25
平衡量（mol/L） 0.25       0.5             0.25
平衡常數K=$\frac{生成物平衡濃度冪次方乘積}{反應物平衡濃度冪次方乘積}$=$\frac{0.25}{0.25×0．{5}^{2}}$=4.0，$\frac{12.6}{3}=\frac{P}{3-0.38×2}$，所以P=9.4 MPa，故答案為：4.0；9.4 MPa；
②若保持其它條件不變，起始時加入2mol CO和2mol H₂，相當于在原平衡的基礎上加入一氧化碳的量，一氧化碳的轉化率減小，所以點B符合，故答案為：B；
（3）①CH₄（g）+H₂O（1）?CO（g）+3H₂ （g）△H=+250.1kJ．mol^-l
②CO（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）=CO₂（g）△H=-283.0kJ/mol
③H₂（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═H₂O（l）△H=-285.8kJ•mol^-1
①+②+③×3得
CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；
設燃料為1kg，放出的能量為$\frac{1000}{16}$×890.3KJ×86.4%=4.8×10⁷J；比能量為$\frac{4.8×1{0}^{7}J}{3.6×1{0}^{6}J}$，故答案為：CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；$\frac{4.8×1{0}^{7}J}{3.6×1{0}^{6}J}$．

點評 本題綜合考查化學平衡的影響因素、CH₄燃燒熱的熱化學方程式書寫、比能量的應用，主要考查蓋斯定律的應用，題目難度不大．