Question

工业上可由天然气为原料制备甲醇，也可由水煤气合成甲醇。

(1)已知：2CH₄(g)＋O₂(g)===2CO(g)＋4H₂(g)　ΔH＝a kJ/mol

CH₃OH(g)CO(g)＋2H₂(g)　ΔH＝b kJ/mol

试写出由CH₄和O₂制取甲醇的热化学方程式：_____________。

(2)通过下列反应制备甲醇：CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)。甲图是反应时CO(g)和CH₃OH(g)的浓度随时间t的变化情况。从反应开始到平衡，用H₂表示平均反应速率v(H₂)＝_____________。

(3)在一容积可变的密闭容器中充入10 mol CO和20 mol H₂，CO的平衡转化率随温度(T)、压强(p)的变化如乙图所示。

①下列说法能判断该反应达到化学平衡状态的是_____________。(填字母)

A．H₂的消耗速率等于CH₃OH的生成速率的2倍

B．H₂的体积分数不再改变

C．体系中H₂的转化率和CO的转化率相等

D．体系中气体的平均摩尔质量不再改变

②若达到化学平衡状态A时，容器的体积为2 L。如果反应开始时仍充入10 mol CO和20 mol H₂，该温度下的平衡常数为_____________，则在平衡状态B时，容器的体积V(B)＝_____________ L。

(4)用甲醇、二甲醚混合液与CO在催化剂条件下还可合成醋酸。常温下，醋酸的K_a＝1.8×10^－5，向 0.1 mol/L 醋酸溶液中滴加NaOH溶液至c(CH₃COOH)/c(CH₃COO^－)＝时，混合溶液中c(CH₃COO^－)－c(Na^＋)＝_____________(mol/L，填数值)，醋酸钠水解反应的平衡常数值为_____________(保留一位小数)。

Answer

2CH4(g)＋O2(g)===2CH3OH(g)ΔH＝(a－2b)kJ/mol 0.15mol·L－1·min－1 BD 0.04(mol/L)－2 0.4 10－5－10－9 5.6×10－10

【解析】（1）已知：①2CH4(g)＋O2(g)＝2CO(g)＋4H2(g) ΔH＝a kJ/mol

②CH3OH(g)＝CO(g)＋2H2(g) ΔH＝b kJ/mol

根据盖斯定律，①－②×2可得由CH4和O2制取甲醇的热化学方程式为2CH4(g)＋O2(g)＝2CH3OH(g)ΔH＝(a－2b)kJ/mol；

（2）随反应进行，CO浓度减小、甲醇浓度增大，由图可知，10min到达平衡，CO浓度变化为（0.9-0.15）mol/L=0.75mol/L，则v（CO）=0.75mol/L÷10min=0.075mol•L-1•min-1，反应速率之比等于化学方程式计量数之比v（H2）=2v（CO）=0.15 mol•L-1•min-1；（3）①A．H2的消耗速率等于CH3OH的生成速率的2倍，均表示正反应速率，反应始终按该比例关系进行，不能说明到达平衡，当H2的消耗速率等于CH3OH的消耗速率的2倍时，反应到达平衡，故A错误；B．H2的体积分数不再改变是化学平衡的特征，达到了平衡，故B正确；C．氢气、CO的转化率与它们起始物质的量有关，平衡时不一定相等，若起始物质的量之比等于化学计算量之比，转化率始终相等，故C错误；D．混合气体总质量不变，随反应进行，混合气体总物质的量减小，平均摩尔质量增大，混合气体气体的平均摩尔质量不再改变，说明达到了平衡，故D正确；答案选BD；②若达到化学平衡状态A时，容器的体积为2L，CO转化率为50%，则转化的CO为10mol×50%=5mol，则：

CO（g）+2H2（g）＝CH3OH（g）

起始量（mol）：10 20 0

变化量（mol）：5 10 5

平衡量（mol）：5 10 5

平衡常数K=5＝0.04(mol/L)－2；

如果反应开始时仍充入10molCO和20molH2，在平衡状态B时CO转化率为80%，则转化的CO为10mol×80%=8mol，则：

CO（g）+2H2（g）＝CH3OH（g）

起始量（mol）：10 20 0

变化量（mol）：8 16 8

平衡量（mol）：2 4 8

设体积为VL，则=0.04，解得V=0.4；（4）c(CH3COOH)/c(CH3COO－)＝5/9，则根据醋酸的电离平衡常数可知氢离子浓度为1×10－5mol/L，所以混合溶液中c(CH3COO－)－c(Na＋)＝c(H＋)－c(OH－)＝(10－5－10－)mol/L。醋酸钠水解反应的平衡常数值＝Kw/Ka＝5.6×10－10。