Question

12．甲醇和乙醇是重要的化工原料，也是清洁的能源．
（1）工业上利用乙酸甲酯和氢气加成制备乙醇的技术比较成熟．主要反应如下：
反应①：CH₃COOCH₃（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）+C₂H₅OH（g）△H₁
反应②：CH₃COOCH₃（g）+C₂H₅OH（g）?CH₃COOC₂H₅（g）+CH₃OH（g）△H₂＞0
反应③：C₂H₅OH（g）?CH₃CHO（g）+H₂（g）△H₃＞0
①分析增大压强对制备乙醇的影响增大压强，也能提高反应速率．反应①为气体分子数减小的反应，反应②气体分子数不变，反应③为气体分子数变大的反应，增大压强反应①平衡正向移动，反应②平衡不移动，反应③平衡逆向移动，总结果，乙醇含量增大．
②反应①乙酸甲酯的平衡转化率与温度和氢碳比（$\frac{n（{H}_{2}）}{n（乙酸甲酯）}$）的关系如图1．
该反应的平衡常数K随温度升高变小．（填“变大”“不变”或“变小”）；氢碳比最大的是曲线c．

（2）①利用反应CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）合成甲醇．某温度下，向容积为2L的密闭容器中加入1mol CO和2mol H₂，CO转化率的变化如图2所示，该温度下的平衡常数为4（保留两位有效数字，下同），若起始压强为12.6MPa，则10min时容器的压强为9.4 MPa．
②若保持其它条件不变，起始时加入2mol CO和2mol H₂，再次达到平衡，相应的点是B．
（3）氢气可用CH₄制备：CH₄（g）+H₂O（1）?CO（g）+3H₂（g）△H=+250.1kJ•mol^-1．已知CO（g）、H₂（g）的燃烧热依次为283.0kJ•mol^-1、285.8kJ•mol^-1，请写出表示甲烷燃烧热的热化学方程式CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol．以CH₄（g）为燃料可以设计甲烷燃料电池，已知该电池的能量转换效率为86.4%，则该电池的比能量为$\frac{4.8×1{0}^{7}J}{3.6×1{0}^{6}J}$kW•h•kg^-1（只列计算式，比能量=$\frac{电池输出电能（kW•h）}{燃料质量（kg）}$，lkW•h=3.6×10⁶J）．

Answer 1

分析 （1）压强越大反应速率越快，而反应①：CH₃COOCH₃（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）+C₂H₅OH（g）正向气体计量数减小，
反应②：CH₃COOCH₃（g）+C₂H₅OH（g）?CH₃COOC₂H₅（g）+CH₃OH（g）两边气体计量数相等，反应③：C₂H₅OH（g）?CH₃CHO（g）+H₂（g）正向气体计量数增加；
②温度越高乙酸甲酯的平衡转化率越小，所以平衡逆向移动，所以正反应是放热反应；乙酸甲酯的转化率越小，则氢碳比（$\frac{n（{H}_{2}）}{n（乙酸甲酯）}$）越大；
（2）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L） 0.5          1
变化量（mol/L） 0.25       0.5              0.25
平衡量（mol/L） 0.25       0.5              0.25
平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$；压强之比等于物质的量之比；
②若保持其它条件不变，起始时加入2mol CO和2mol H₂，相当于在原平衡的基础上加入一氧化碳的量，一氧化碳的转化率减小；
（3）根据盖斯定律解题；设燃料为1kg计算．

解答 解：（1）压强越大反应速率越快，而反应①：CH₃COOCH₃（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）+C₂H₅OH（g）正向气体计量数减小，所以平衡正向移动，
反应②：CH₃COOCH₃（g）+C₂H₅OH（g）?CH₃COOC₂H₅（g）+CH₃OH（g）两边气体计量数相等，增大压强平衡不移动，反应③：C₂H₅OH（g）?CH₃CHO（g）+H₂（g）正向气体计量数增加，增大压强平衡逆向移动，故答案为：增大压强，也能提高反应速率．反应①为气体分子数减小的反应，反应②气体分子数不变，反应③为气体分子数变大的反应，增大压强反应①平衡正向移动，反应②平衡不移动，反应③平衡逆向移动，总结果，乙醇含量增大；
②温度越高乙酸甲酯的平衡转化率越小，所以平衡逆向移动，所以正反应是放热反应，所以温度升高K值减小；乙酸甲酯的转化率越小，则氢碳比（$\frac{n（{H}_{2}）}{n（乙酸甲酯）}$）越大，所以最大的是c，故答案为：变小；  c；
（2）①CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
起始量（mol/L） 0.5         1                  0
变化量（mol/L） 0.25      0.5               0.25
平衡量（mol/L） 0.25       0.5             0.25
平衡常数K=$\frac{生成物平衡浓度幂次方乘积}{反应物平衡浓度幂次方乘积}$=$\frac{0.25}{0.25×0．{5}^{2}}$=4.0，$\frac{12.6}{3}=\frac{P}{3-0.38×2}$，所以P=9.4 MPa，故答案为：4.0；9.4 MPa；
②若保持其它条件不变，起始时加入2mol CO和2mol H₂，相当于在原平衡的基础上加入一氧化碳的量，一氧化碳的转化率减小，所以点B符合，故答案为：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；
设燃料为1kg，放出的能量为$\frac{1000}{16}$×890.3KJ×86.4%=4.8×10⁷J；比能量为$\frac{4.8×1{0}^{7}J}{3.6×1{0}^{6}J}$，故答案为：CH₄（g）+2O₂（g）→CO₂（g）+2H₂O（l）△H=-890.3KJ/mol；$\frac{4.8×1{0}^{7}J}{3.6×1{0}^{6}J}$．

点评 本题综合考查化学平衡的影响因素、CH₄燃烧热的热化学方程式书写、比能量的应用，主要考查盖斯定律的应用，题目难度不大．