Question

8．甲醇被称为2l世纪的新型燃料，工业上通过下列反应I和Ⅱ，用CH₄和H₂O为原料来制备甲醇．
（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反应室（容积为100L），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．
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0.003 mol•L^-1•min^-1．
②图中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃时平衡常数为2.25×10^-4．
③在其它条件不变时降低温度，逆反应速率将减小（填“增大”“减小”或“不变”）．
（2）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）?CH₃OH（g）…Ⅱ．
④该反应的△H＜0，△S＜0（填“＜”、“＞”或“=”）．
⑤若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是BD．
A．升高温度  B．将CH₃OH（g）从体系中分离出来C．充入He，使体系总压强增大    D．再充入l mol CO和3mol H₂
⑥为了寻找合成甲醇的温度和压强的适宜条件，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计的表中．

实验编号	T（℃）	n　（C）/n	P（MPa）
Ⅰ	150	$\frac{1}{3}$	0.1
Ⅱ	150	$\frac{1}{3}$	5
Ⅲ	350	$\frac{1}{3}$	5

A．请在上表空格中填入剩余的实验条件数据．
B．根据反应Ⅱ的特点，在给出的坐标图中，画出其在0.1MPa和5MPa条件下CO的转化率随温度变化的趋势曲线示意图2，并标明各条曲线的压强．

Answer 1

分析 （1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为100L的反应室，在一定条件下发生反应I，由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：
            CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0     2.0         0      0
变化量（mol）：0.5     0.5         0.5    1.5
平衡量（mol）：0.5     1.5         0.5    1.5
①根据v=$\frac{△c}{△t}$计算用H₂表示的平均反应速率；
②相同温度时，增大压强平衡逆向移动，甲烷的转化率减小；根据K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$计算平衡常数；
③在其它条件不变时降低温度，正逆反应速率都减小；
（2）④正反应气体物质的量减小，混乱度减小，即为熵减的反应，在催化剂作用下能自发反应，说明正反应为焓减的放热反应；
⑤A．正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动；
B．将CH₃OH（g）从体系中分离出来，平衡正向移动；
C．充入He，使体系总压强增大，反应混合物各组分浓度不变，平衡不移动；
D．再充入l mol CO和3mol H₂，反应物浓度增大，平衡正向移动，等效为增大压强，反应物转化率增大；
⑥目的是探究温度、压强的适宜条件，应采取控制变量法，I为对照实验，Ⅱ与I的压强不同，Ⅲ与I的温度不同，其它条件应相同；
一定温度下，增大压强，平衡正向移动，平衡时CO的转化率降低；压强一定时，由于正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，CO的转化率减小．

解答 解：（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为100L的反应室，在一定条件下发生反应I，由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：
             CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0        0
变化量（mol）：0.5      0.5       0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5       0.5      1.5
①H₂表示的平均反应速率=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，故答案为：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②相同温度时，增大压强平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，则P₁＜P₂，
平衡浓度为c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，平衡常数K=$\frac{0.005×0.01{5}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案为：2.25×10^-4；
③在其它条件不变时降低温度，正逆反应速率都减小，故答案为：减小；
（2）④正反应气体物质的量减小，混乱度减小，则△S＜0，在催化剂作用下能自发反应，说明正反应为焓减的放热反应，即△H＜0，
故选：＜；＜；
⑤A．正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，甲醇产率减小，故A正确；
B．将CH₃OH（g）从体系中分离出来，平衡正向移动，甲醇产率增大，故B正确；
C．充入He，使体系总压强增大，反应混合物各组分浓度不变，平衡不移动，甲醇产率不变，故C错误；
D．再充入l mol CO和3mol H₂，反应物浓度增大，平衡正向移动，等效为增大压强，反应物转化率增大，则甲醇产率增大，故D正确；
⑥目的是探究温度、压强的适宜条件，应采取控制变量法，I为对照实验，Ⅱ与I的压强不同，Ⅲ与I的温度不同，其它条件应相同，故实验I温度为150℃，n（C）=$\frac{1}{3}$，实验Ⅲ中n（C）=$\frac{1}{3}$；
一定温度下，增大压强，平衡正向移动，平衡时CO的转化率降低；压强一定时，由于正反应为放热反应，升高温度平衡逆向移动，CO的转化率减小，0.1MPa和5MPa条件下CO的转化率随温度变化的趋势曲线示意图为：，
故答案为：

实验编号	T（℃）	n　（C）/n	P（MPa）
Ⅰ
Ⅱ	150	$\frac{1}{3}$
Ⅲ		$\frac{1}{3}$

；．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、平衡常数、探究外界条件对平衡的影响等，注意利用控制变量法分析探究外界条件对平衡影响，难度中等．