Question

甲醇是一种很好的燃料，工业上用CH₄和H₂O（g）为原料，通过反应Ⅰ和Ⅱ来制备甲醇．请回答下列问题：
（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反应室（容积为100L）中，在一定条件下发生反应：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）（Ⅰ）
CH₄的转化率与温度、压强的关系如图1所示．
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为

0.0030mol?L^-1?min^-1

．
②图中的p₁

＜

p₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃时的平衡常数为

2.25×10^-4

．
③该反应的△H

＞

0，△S

＞

0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（2）在压强为0.1MPa条件下，a mol CO与3a mol 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）?△H＜0 （Ⅱ）
①若容器的容积不变，下列措施可增大甲醇产率的是

BD

（填序号）．
A．升高温度
B．将CH₃OH（g）从体系中分离出来
C．恒容下充入He，使体系的总压强增大
D．再充入a mol CO和3a mol H₂
②为了寻找合成甲醇的适宜温度和压强，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在了下面的实验设计表中．

实验编号	T（℃）	n（CO）/n（H2）	ρ（MPa）
1	150	1 3	0.1
2	n	1 3	5
3	350	m	5

a．表中剩余的实验数据：n=

150

，m=

1

3

．
b．根据反应Ⅱ的特点，如图是在压强分别为0.1MPa和5MPa下CO的转化率随温度变化的曲线，请指明图2中的压强p_x=

0.1

MPa．

Answer 1

分析：（1）①根据v=

△c

△t

计算氢气的平均反应速率；
②该反应是反应前后气体体积增大的反应，相同温度下，增大压强，平衡向气体体积减小的方向移动，根据甲烷的转化率确定压强大小；平衡常数等于生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积之比；
③一定压强下，升高温度平衡向吸热反应方向移动，根据转化率判断反应热；反应前后，气体的物质的量越大，其熵变越大；
（2）①容器容积不变，增加甲醇产率，平衡向正反应移动，根据外界条件对平衡的影响分析．
②采取控制变量法，探究合成甲醇的温度和压强的适宜条件，据此判断n、m的值．
③根据定一议二原则，定温度同，再比较压强，即作垂直x轴的辅助线，比较平衡时CO的转化率，由此判断．

解答：解：（1）①根据v（H₂）=3v（CH₄）=3×

1.0mol×0.5 100L

5min

=0.0030mol?L^-1?min^-1，故答案为：0.0030mol?L^-1?min^-1；
②根据化学方程式可以得出，增大压强，化学平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，可以去200℃来分析，发现甲烷的转化率是p₁时大于p₂时的，所以P₁＜P₂，
                CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始浓度：0.01     0.02     0       0 
变化浓度：0.005    0.005    0.005    0.015
平衡浓度：0.005    0.015     0.005    0.015
100℃时平衡常数=

0.005×(0.015)3

0.005×0.015

（mol/L）²=2.25×10^-4 （mol/L）²，
故答案为：＜；2.25×10^-4；
③一定压强下，升高温度平衡向正反应方向移动，则正反应是吸热反应，所以△H＞0；正反应是气体物质的量增大的反应，气体的物质的量越多，其熵越大，所以△S＞0，故答案为：＞，＞；
（2）①A、该反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向移动，即向逆反应方向移动，甲醇的产率降低，故A错误；
B、将CH₃OH（g）从体系中分离，产物的浓度降低，平衡向正反应移动，甲醇的产率增加，故B正确；
C、充入He，使体系总压强增大，容器容积不变，反应混合物各组分浓度不变，平衡不移动，甲醇的产率不变，故C错误；
D、再充入amol CO和3amol H₂，可等效为压强增大，平衡向体积减小的方向移动，即向正反应方向移动，甲醇的产率增加，故D正确．
故选：BD
②A、采取控制变量法，探究合成甲醇的温度和压强的适宜条件，所以温度、压强是变化的，

n(CO)

n(H2)

应保持不变，所以m=

1

3

，比较使用1、2，压强不同，所以温度应相同，故n=150，故答案为：n=150，

1

3

；
③温度相同时，作垂直x轴的辅助线，发现压强为P_y的CO的转化率高，反应为前后体积减小的反应，压强增大平衡向体积减小的方向移动，即向正反应移动，所以P_x＜P_y，所以压强P_x=0.1MPa．
故答案为：0.1．

点评：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，综合性较大，难度中等，知识面广，应加强平时知识的积累．注意控制变量法与定一议二原则应用．