Question

甲烷自热氧化重整是工业上获得氢气的重要方法，其反应为：

2CH₄(g)+O₂(g)=2CO(g)+4H₂(g)  △H=akJ/mol。

（1）已知：①CH₄(g)+2O₂(g)=CO₂(g)+2H₂O(g)  △H₁=bkJ/mol

②CH₄(g)+CO₂(g)=2CO(g)+2H₂(g)  △H₂

③CH₄(g)+H₂O(g)=CO(g)+3H₂(g)  △H₃=ckJ/mol。

则△H₂=___________kJ/mol(用含a、b、c的代数式表示)。

（2）以CO、H₂为原料合成甲醇的反应为：CO(g)+2H₂(g)=CH₃OH(g)。在体积均为2L的三个恒容密闭容器Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中，分别都充入1molCO和2molH₂，三个容器的反应温度分别为T₁、T₂、T₃且恒定不变。图1为三个容器中的反应均进行到5min时H₂的体积分数示意图，其中有一个容器反应一定达到平衡状态。CO的平衡转化率在不同压强下随温度的变化如图2所示。

①0～5min时间内容器II中用CH₃OH表示的反应速率为___________。

②三个容器中一定达到平衡状态的是容器________。

③当三个容器中的反应均达到平衡状态时，CO的转化率最低的是容器______。

④平衡常数最大的是容器__________。

⑤工业实际合成CH₃OH生产中，常用图中M点而不是N点对应的反应条件，运用化学反应速率和平衡知识，同时考虑生产实际，说明选择该反应条件的理由：______________。

（3）合成甲醇尾气中CO的浓度常用电化学气敏传感器进行测量，其中CO传感器可用图3简单表示，则阳极发生的电极反应为_______________。

Answer

（1）（2a-b-2c）；

（2）①0.0875mol/(L·min)；②Ⅲ；③Ⅲ；④I；

⑤相对于N点而言，采用M点，温度在500～600K之间，温度较高，反应速率较快，CO的平均转化率也较高，压强为常压，对设备要求不高；（3）CO+H2O-2e-=CO2+2H+

【解析】

试题分析：（1）根据盖斯定律（①+②+③×2）/2，整理可得：得2CH4(g) +O2 (g)═2CO(g)+4H2 (g)，故（△H1 +△H2 +△H3 ）/2=akJ•mol-1 ，所以解得△H2 =（2a-2c-b）kJ•mol-1 ，(2) ①在反应开始时n(CO)=1mol，n(H2)=2mol，n(CH3OH)=0,假设在反应中CO改变的物质的量是x，则5min时，n(CO)=(1-x)mol，n(H2) = 2(1-x) mol；n(CH3OH) = xmol，由于在5min时H2的含量是0.2，所以2(1-x)÷[(1-x)+ 2(1-x)+x]=0.2，解得x=7/8mol，所以0～5min时间内容器II中用CH3OH表示的反应速率为7/8mol÷2L÷5mol=0.0875mol/(L·min)；②根据图2可知：在压强不变时，升高温度，CO的平衡转化率降低，说明升高温度，化学平衡逆向移动，逆反应方向为吸热反应，所以该反应的正反应是放热反应。由于升高温度，平衡逆向移动，会使H2的含量增加，Ⅲ中H2的含量最大，则一定是处于平衡状态，而I、II不一定处于平衡状态；③由于温度：T3>T2>T1，该反应的正反应是放热反应，升高温度，平衡逆向移动，使CO的转化率降低，所以当三个容器中的反应均达到平衡状态时，CO的转化率最低的是容器Ⅲ；④该反应的正反应是放热反应，根据平衡移动原理，降低温度，平衡正向移动，化学平衡常数最大，三个容器的反应温度：T3>T2>T1，所以化学平衡常数最大的是容器I；⑤工业实际合成CH3OH生产中，常用图中M点而不是N点对应的反应条件，这时尽管CO的平衡转化率N>M，但是温度M>N，反应速率快，相对于N点而言，采用M点，温度在500～600K之间，温度较高，反应速率较快，CO的平均转化率也较高，压强为常压，对设备要求不高。（3）根据图示可知：通入CO的电极是阳极。阳极发生氧化反应，由于电解质溶液为酸性环境，所以会发生氧化反应：CO+H2O-2e-=CO2+2H+。

考点：考查盖斯定律的应用、化学反应速率的计算、化学平衡状态的判断、外界条件对化学平衡移动的影响及电解原理的应用的知识。