Question

1．2014年國(guó)家科學(xué)技術(shù)大會(huì)上，甲醇制取低碳烴技術(shù)（DMTO）獲國(guó)家技術(shù)發(fā)明一等獎(jiǎng)．DMTO主要包括煤的氣化、液化、烯烴化三個(gè)階段．
（1）煤的氣化是煤在高溫下轉(zhuǎn)化為水煤氣的過(guò)程，主要反應(yīng)方程式是C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂．
（2）煤的液化發(fā)生的主要反應(yīng)如下表：

化學(xué)反應(yīng)方程式	平衡常數(shù)
	500℃	700℃
①2H2（g）+CO（g）=CH3OH（g）△H1=akJ/mol	2.5	0.2
②H2（g）+CO2（g）=CO（g）+H2O（g）△H2=bkJ/mol	1.0	2.3
③3H2（g）+CO2（g）=CH3OH（g）+H2O（g）△H3	K3	4.6

①△H₁＜△H₂（填“＞”、“＜”、“=”），△H₃=a+bkJ/mol（用a、b表示）．
②若反應(yīng)①在容積為2L的密閉容器中進(jìn)行，500℃測(cè)得某一時(shí)刻體系內(nèi)H₂、CO、CH₃0H物質(zhì)的量分別為4、2、10，則此時(shí)生成CH₃0H的速率＞消耗CH₃0H的速率（填“＞”、“＜”、“=”）
③K₃=2.5．
（3）烯烴化階段：圖1是烯烴化階段產(chǎn)物中乙烯、丙烯的選擇性與溫度、壓強(qiáng)之間的關(guān)系（選擇性：指生成某物質(zhì)的百分比．圖中I、II表示乙烯，III表示丙烯）．

①根據(jù)圖1，要盡可能多的獲得乙烯，控制反應(yīng)的最佳條件是530℃，0.1Mpa．
②一定溫度下，某密閉容器發(fā)生如下反應(yīng)：2CH₃OH（g）=CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g），在壓強(qiáng)為P₁時(shí)，產(chǎn)物水的物質(zhì)的量與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示，若t₁時(shí)測(cè)得甲醇的體積分?jǐn)?shù)是10%，此時(shí)甲醇乙烯化的轉(zhuǎn)化率是85.7%（保留3位有效數(shù)字），若要提高甲醇的轉(zhuǎn)化率，可采取的措施是降低壓強(qiáng)、分離乙烯或水（寫(xiě)一條即可）．
③若在t₂時(shí)，將容器體積迅速擴(kuò)大到原來(lái)的2倍，請(qǐng)圖2中繪制出此變化發(fā)生后至反應(yīng)達(dá)到新平衡時(shí)水的物質(zhì)的量與時(shí)間的關(guān)系．

Answer 1

分析 （1）煤的氣化是指煤與水蒸氣反應(yīng)生成CO與H₂的過(guò)程．
（2）①因溫度高不利于平衡向放熱反應(yīng)方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致平衡常數(shù)減小，而反應(yīng)①在700℃時(shí)的平衡常數(shù)比在500℃時(shí)的平衡常數(shù)小，故①的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，反應(yīng)②在700℃時(shí)的平衡常數(shù)比在500℃時(shí)的平衡常數(shù)大，故②的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)；依據(jù)蓋斯定律，用熱化學(xué)方程式①+②就可得熱化學(xué)方程式③；
②依據(jù)數(shù)據(jù)計(jì)算濃度商Qc和得到的平衡常數(shù)比較判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，比較甲醇的生成速率和消耗速率大��；
③依據(jù)蓋斯定律，用熱化學(xué)方程式①+②就可得熱化學(xué)方程式③，所以反應(yīng)①、②的平衡常數(shù)表達(dá)式相乘得到反應(yīng)③的平衡常數(shù)；
（3）①由圖1知，530℃，0.1Mpa時(shí)乙烯的選擇性最大；
②t₀時(shí)刻，n（H₂O）=3.6mol  n（CH₂=CH₂）=1.8mol，設(shè)甲醇起始物質(zhì)的量為x mol，
               2CH₃OH（g）?CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g）
起始量（mol）     x             0          0
變化量（mol）   3.6            1.8        3.6
t₀時(shí)刻量（mol） x-3.6          1.8        3.6 
$\frac{x-3.6}{x-3.6+1.8+3.6}$=10%，得到x計(jì)算甲醇的轉(zhuǎn)化率；
根據(jù)外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響來(lái)解答；
③因壓強(qiáng)變大后平衡向右移動(dòng)，導(dǎo)致生成水的量增大，繪制圖象時(shí)應(yīng)注意條件改變后水的物質(zhì)的量沒(méi)有立即變化，重新達(dá)到平衡所需要的時(shí)間應(yīng)比t₃多．

解答 解：（1）煤的氣化是指煤與水蒸氣反應(yīng)生成CO與H₂的過(guò)程，反應(yīng)的化學(xué)方程式為：C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂；
故答案為：C+H₂O（g）$\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+H₂；
（2）①因溫度高不利于平衡向放熱反應(yīng)方向移動(dòng)，從而導(dǎo)致平衡常數(shù)減小，而反應(yīng)①在700℃時(shí)的平衡常數(shù)比在500℃時(shí)的平衡常數(shù)小，故①的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，a＜0；反應(yīng)②在700℃時(shí)的平衡常數(shù)比在500℃時(shí)的平衡常數(shù)大，故②的正反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，b＞0，所以△H₁＜△H₂；
   2H₂（g）+CO（g）=CH₃OH（g）△H₁=akJ/mol          ①
   H₂（g）+CO₂（g）=CO（g）+H₂O（g）△H₂=bkJ/mol     ②
依據(jù)蓋斯定律，①+②得熱化學(xué)方程式：3H₂（g）+CO₂ （g）?CH₃OH（g）+H₂O（g）△H₃=（a+b）kJ/mol；
故答案為：＜；c=a+b； 
②若反應(yīng)①在容積為2L的密閉容器中進(jìn)行，500℃測(cè)得某一時(shí)刻體系內(nèi)H₂、CO、CH₃0H物質(zhì)的量分別為4、2、10，求得Qc=$\frac{C（C{H}_{3}OH）}{{C}^{2}（{H}_{2}）C（CO）}$=$\frac{5}{2{\;}^{2}×1}$＜2.5，故此時(shí)反應(yīng)向右進(jìn)行，甲醇的生成速率大于其消耗速率；
故答案為：＞；
③反應(yīng)①、②的平衡常數(shù)相乘得到反應(yīng)③的平衡常數(shù)K₃=2.5×1=2.5；
故答案為：2.5；
（3）①由圖1知，530℃，0.1Mpa時(shí)乙烯的選擇性最大，為盡可能多地獲得乙烯，控制的生產(chǎn)條件為530℃，0.1Mpa；
故答案為：530℃，0.1Mpa；
②t₀時(shí)刻，n（H₂O）=3.6mol  n（CH₂=CH₂）=1.8mol，設(shè)甲醇起始物質(zhì)的量為x mol，
               2CH₃OH（g）?CH₂=CH₂（g）+2H₂O（g）
起始量（mol）     x             0          0
變化量（mol）   3.6            1.8        3.6
t₀時(shí)刻量（mol） x-3.6          1.8        3.6 
$\frac{x-3.6}{x-3.6+1.8+3.6}$=10%，x=4.2mol則甲醇的轉(zhuǎn)化率為$\frac{3.6}{4.2}$×100%=85.7%；
降低壓強(qiáng)、分離乙烯或水，平衡正向移動(dòng)，甲醇的轉(zhuǎn)化率提高；
故答案為：85.7%；降低壓強(qiáng)、分離乙烯或水；
③若在t₁ 時(shí)刻將容器容積快速擴(kuò)大到原來(lái)的2倍，因壓強(qiáng)變大后平衡向右移動(dòng)，導(dǎo)致生成水的量增大，繪制圖象時(shí)應(yīng)注意條件改變后水的物質(zhì)的量沒(méi)有立即變化，重新達(dá)到平衡所需要的時(shí)間應(yīng)比t₃多，在圖中繪制出此變化發(fā)生后至反應(yīng)達(dá)到新平衡時(shí)水的物質(zhì)的量與時(shí)問(wèn)的關(guān)系圖為：；
故答案為：85.7%；．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡的影響因素分析，化學(xué)計(jì)算，圖象的判斷方法，注意平衡常數(shù)的計(jì)算應(yīng)用以及平衡移動(dòng)的原理，掌握基礎(chǔ)是解題關(guān)鍵，題目難度中等．