Question

甲烷广泛存在于天然气、沼气、煤矿坑气之中,是优质的气体燃料,更是制造许多化工产品的重要原料。

Ⅰ．制取氢气

已知：CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）  △H=+206.2kJ·mol^-1

CH₄（g）+CO₂（g）2CO（g）+2H₂（g） △H=+247.4kJ·mol^-1

（1）请写出CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CO₂（g）和H₂（g）的热化学方程式___________________

（2）若将0.1mol CH₄和0.1mol H₂O（g）通入体积为10L的密闭容器里，在一定条件下发生反应：CH₄（g）+H₂O（g）CO（g）+3H₂（g）,CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图

①已知100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示的平均反应速率_________；

②该反应的化学平衡常数___________________；

③图中的p₁          p₂（填“＜”、“＞”或“=”）；

Ⅱ．制备甲醇

（3）在压强为0.1MPa条件下，将a mol CO与3amol H₂的混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）CH₃OH（g）  △H＜0。若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是________；

A．升高温度

B．再充入1mol CO和3mol H₂

C．将CH₃OH（g）从体系中分离

D．充入He，使体系总压强增大

E．使用更高效的催化剂

Ⅲ．合成乙酸

（4）甲烷直接合成乙酸具有重要的理论意义和应用价值。光催化反应技术使用CH₄和           （填化学式）直接合成乙酸，且符合“绿色化学”的要求（原子利用率100℅）。

Answer

（1）CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165.0kJ•mol-1

（2）①V(H2)=0.003mol/(L.min)②6.75×10-4(mol/L)2③＜（3）BC（4）CO2

【解析】

试题分析：（1）已知：①CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）△H=+206.2kJ·mol-1

②CH4（g）+CO2（g）2CO（g）+2H2（g）△H=+247.4kJ·mol-1

由盖斯定律可知①×2-②得CH4（g）+2H2O（g）CO2（g）+4H2（g）△H＝+165.0kJ•mol-1；

（2）将0.1molCH4和0.1molH2O（g）通入体积为10L的密闭容器里，在一定条件下发生反应CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g），由图像可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为0.mol×50%=0.05mol，则：

CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）

起始量（mol） 0.1 0.1 0 0

变化量（mol） 0.05 0.05 0.05 0.15

平衡量（mol）： 0.05 0.05 0.05 0.15

①100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H2表示该反应的平均反应速率＝0.003mol/(L.min)；

②该温度下反应的平衡常数K＝＝6.75×10-4(mol/L)2；

通过图像可知当温度相同时，p2→p1时，甲烷的转化率提高，平衡向正向移动，正向为气体系数增大的反应，根据减小压强平衡向系数增大的方向移动可知：p1＜p2；

（3）A．该反应是放热的，升高温度，平衡逆向进行，会减小甲醇产率，A错误；B．再充入1mol CO和3molH2，增大压强，平衡右移，有利提高甲醇的产率，B正确；C．将CH3OH（g）从体系中分离，会促使平衡正向移动，提高甲醇的产率，C正确；D．充入He，使体系总压强增大，体积不变，各组分浓度不变，所以平衡不会移动，不会改变甲醇产率，D错误；E.催化剂不能平衡状态，甲醇的产率不变，E错误，答案选BC。

（4）根据乙酸的分子式CH3COOH和CH4，依据原子守恒可知另一种反应物是CO2。

【考点定位】本题考查化学反应速率、平衡常数、化学平衡计算、化学平衡的影响因素及读图能力等

【名师点晴】该题综合性较大，难点是图像分析和外界条件对平衡状态的影响．图像分析时要注意控制变量法与定一议二原则应用。关于“惰性气体”对化学平衡的影响需要注意：①恒温、恒容条件：原平衡体系体系总压强增大→体系中各组分的浓度不变→平衡不移动。②恒温、恒压条件：原平衡体系容器容积增大，各反应气体的分压减小→体系中各组分的浓度同倍数减小（等效于减压），平衡向气体体积增大的方向移动。