Question

甲醇是有机化工原料和优质燃料，主要应用于精细化工、塑料等领域，也是农药、医药的重要原料之一。回答下列问题：

(1)工业上利用CO₂和H₂反应合成甲醇。已知25℃ 101kPa下：

H₂(g)+ O₂(g)═H₂O(g)    △H=﹣242kJ•mol^﹣1

CH₃OH(g)+ O₂(g)=CO₂(g)+2H₂O(g)△H₂=﹣676kJ•mol^﹣1

①写出CO₂和H₂反应生成CH₃OH(g)与H₂O(g)的热化学方程式______

②下列表示该合成甲醇反应的能量变化示意图中正确的是______(填字母)

a.     b.     c.     d.

③合成甲醇所需的H₂可由下列反应制取：H₂O(g)+CO(g)⇌H₂(g)+CO₂(g)，某温度下该反应的平衡常数K=1，若起始时c(CO)=1mol•L^﹣1，c(H₂O)=2mol•L^﹣1，则达到平衡时H₂O的转化率为______

(2)CO和H₂反应也能合成甲醇：CO(g)+2H₂(g)⇌CH₃OH(g)△H=﹣90.1kJ•mol^﹣1，在250℃下，将一定量的CO和H₂投入10L的恒容密闭容器中，各物质浓度(mol•L^﹣1)变化如下表所示(前6min没有改变条件)

	2min	4min	6min	8min
CO	0.07	0.06	0.06	0.05	……
H2	x	0.12	0.12	0.2	……
CH3OH	0.03	0.04	0.04	0.05	……

①x=______，250℃时该反应的平衡常数K=______

②若6～8min时只改变了一个条件，则改变的条件是______，第8min时，该反应是否达到平衡状态？______(填“是”或“不是”)

③该合成反应的温度一般控制在240～270℃，选择此温度的原因是：

Ⅰ.此温度下的催化剂活性；

Ⅱ.______

(3)甲醇在催化剂条件下可以直接氧化成甲酸，在常温下，20.00mL 0.1000mol•L^﹣1NaOH溶液与等体积、等浓度甲酸溶液混合后所得溶液的pH______(填“＜”“＞”或“=”)原因是______(用离子方程式表示)

Answer

CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H=﹣50 kJ/mol a 33.3% 0.14 46.3 增加了1 mol氢气 不是 温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低；而该反应为放热反应，温度过高，转化率降低； ＞7 HCOO﹣+H2O⇌HCOOH+OH﹣

【解析】

（1）①据已知化学方程式，根据盖斯定律计算；

②该反应是放热反应，反应物总能量大于生成物总能量，物质越稳定，其能量越小；

③利用三段式法计算平衡状态时各物质的平衡浓度；

（2）①根据表中2min和4min时各种物质的浓度的变化量，依据转化量之比等于方程式化学计量数之比可求出x值；该反应的平衡常数表达式K=，将在250℃下，4min时各物质平衡浓度代入计算；

②根据6min到8min时各物质浓度的变化来确定改变条件；求出第8min时的浓度商Qc，与250℃时K做比较，若Qc=K反应达到平衡状态；

③反应条件的选择既要考虑限度又要考虑速率，二者应兼顾；

（3）甲酸钠溶液因为甲酸根的水解显碱性。

(1)① H2(g)+ O2(g)═H2O(g) △H=﹣242kJ•mol﹣1①

CH3OH(g)+ O2(g)=CO2(g)+2H2O(g)△H2=﹣676kJ•mol﹣1②

将方程式3×①-②得CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H=﹣50 kJ/mol，

故答案为：CO2(g)+3H2(g)═CH3OH(g)+H2O(g)△H=﹣50 kJ/mol；

②该反应是放热反应，反应物总能量大于生成物总能量，物质越稳定，其能量越小，所以液态物质的能量小于气态物质，则符合条件的图象是a，

故选：a；

③ H2O(g)+CO(g)⇌H2(g)+CO2(g)

起始量(mol/L)2       1       0        0

转化量(mol/L)y       y      y         y

平衡量(mol/L)2− y    1− y      y          y

y 2÷[(2− y)·(1− y)]=1，解得y =，所以H2O(g)的转化率为：÷2×100%=33.3%，

故答案为：33.3%；

(2)①从图中可知从2min到4min时各物质的转化量为：△c(CO):△c(H2):△c(CH3OH)=(0.07−0.06):(x−0.12):(0.04−0.03)

化学反应中各物质的转化量之比等于方程式化学计量数之比得：(0.07−0.06):(x−0.12):(0.04−0.03)=1:2:1，解得x=0.14，

250℃下，甲醇的平衡浓度是0.04mol/L，氢气的平衡浓度是0.12mol/L，一氧化碳的平衡浓度是0.06mol/L，所以平衡常数K===46.3，

故答案为：0.14；46.3；

②对比6min和8min时各物质的浓度可知改变条件后反应向正方向进行，按照转化量之比等于化学计量数之比△c(CO):△c(H2):△c(CH3OH)=1:2:1，所以8min后三种物质的浓度应为：(0.06−0.01)mol/L、(0.12−0.02)mol/L、(0.04+0.01)mol/L，而8min后氢气的浓度为0.2mol/L，所以多加了0.1mol/L×10L=1mol的氢气；

第8min时反应的浓度商Qc===25≠K，

所以此时不是平衡状态，

故答案为：增加了1mol氢气；不是；

③从反应限度角度考虑：该反应为放热反应，温度过高，转化率降低；从速率角度考虑：温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低，为提高经济效应，反应速率和限度应兼顾，所以选择温度一般控制在240∼270℃；

故答案为：温度低，反应速率慢，单位时间内的产量低；而该反应为放热反应，温度过高，转化率降低；

(3)20.00mL0.1000mol⋅L−1NaOH溶液与等体积、等浓度甲酸溶液混合后，恰好生成甲酸钠，甲酸钠溶液因为甲酸根的水解显碱性，离子方程式为：HCOO﹣+H2O⇌HCOOH+OH﹣，故答案为：>7；HCOO﹣+H2O⇌HCOOH+OH﹣。