Question

5．甲醇被稱為2l世紀的新型燃料，工業(yè)上通過下列反應Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O為原料來制備甲醇．
（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為10L的反應室，在一定條件下發(fā)生反應Ⅰ：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），CH₄的轉化率與溫度、壓強的關系如圖：
①已知100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示的平均反應速率為0.030mol•L^-1•min^-1．
②在其它條件不變的情況下升高溫度，化學平衡常數(shù)將增大（填“增大”“減小”或“不變”）．
③圖中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時平衡常數(shù)為2.25×10^-2．
④保持反應體系為100℃，5min后再向容器中沖入H₂O、H₂各0.5mol，化學平衡將向向左移動（填“向左”“向右”或“不”）．
（2）在壓強為0.1MPa條件下，將a mol CO與 3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)發(fā)生反應Ⅱ：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
①該反應的△H＜0，△S＜0（填“＜”、“＞”或“=”）．
②若容器容積不變，下列措施可以提高CO轉化率的是BD．
A．升高溫度
B．將CH₃OH（g）從體系中分離出來
C．充入He，使體系總壓強增大
D．再充入1mol CO和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖知道平衡時甲烷的轉化率，求出△c（CH₄），根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₄），利用速率之比等于化學計量數(shù)之比計算v（H₂）；
②轉化率與溫度、壓強圖象有三個變量，應“定一議二”；
③根據(jù)定一議二原則，定溫度同，再比較壓強，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時甲烷的轉化率，由此判斷；平衡常數(shù)k=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，計算出平衡時各組分的濃度，代入平衡常數(shù)表達式計算；
④保持反應體系為100℃，5min后再向容器中沖入H₂O、H₂各0.5mol，根據(jù)濃度商與平衡常數(shù)的相對大小的判斷；
（2）①混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應生成甲醇，則說明正反應是放熱反應，正反應是氣體物質的量減小的反應；
②容器容積不變，增加甲醇產率，平衡向正反應移動，根據(jù)外界條件對平衡的影響分析．

解答 解：（1）①由100℃平衡CH₄的轉化率為0.5可知，消耗CH₄為1mol×0.5=0.5mol，平衡時甲烷的濃度變化量為：$\frac{0.5}{10}$=5×10^-2mol/L，根據(jù)甲烷與氫氣的計量數(shù)關系，則：v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{5×1{0}^{-2}}{5min}$=0.030mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.030mol•L^-1•min^-1；
②通過圖表可知當溫度相同時，p2→p1時，甲烷的轉化率提高，平衡向正向移動，正向為氣體系數(shù)增大的反應，根據(jù)減小壓強平衡向系數(shù)增大的方向移動可得出p1＜p2；當壓強為p1時，升高溫度，甲烷的轉化率提高，平衡向正向移動，所以正向為吸熱反應，所以升高溫度平衡常數(shù)變大，故答案為：增大；
③由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉化率高，正反應為氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應方向移動，甲烷的轉化率降低，故壓強P₁＜P₂，
             CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始濃度：0.1        0.2           0            0
變化濃度：0.05      0.05        0.05     0.15
平衡濃度：0.05      0.15        0.05     0.15
100℃時平衡常數(shù)=$\frac{0.05×（0.15）^{3}}{0.05×0.15}$（mol/L）²=2.25×10^-2 （mol/L）²，
故答案為：＜；2.25×10^-2；
④保持反應體系為100℃，5min后再向容器中沖入H₂O、H₂各0.5mol，Qc=$\frac{0.05×（0.2）^{3}}{0.05×0.2}$=4×10^-2＞K，所以平衡向左移動，故答案為：向左；
（2）①混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應生成甲醇，則說明正反應是放熱反應，所以△H＜0；正反應是氣體物質的量減小的反應，氣體的物質的量越多，其熵越大，所以△S＜0，故答案為：＜；＜；
②A．該反應為放熱反應，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，即向逆反應方向移動，甲醇的產率降低，故A錯誤；
B．將CH₃OH（g）從體系中分離，產物的濃度降低，平衡向正反應移動，甲醇的產率增加，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強增大，容器容積不變，反應混合物各組分濃度不變，平衡不移動，甲醇的產率不變，故C錯誤；
D．再充入1mol CO和3mol H₂，可等效為壓強增大，平衡向體積減小的方向移動，即向正反應方向移動，甲醇的產率增加，故D正確，
故答案為：BD．

點評 本題考查化學平衡計算、化學反應速率、平衡常數(shù)、化學平衡的影響因素及等，難度中等，注意控制變量法與定一議二原則應用．