Question

8．甲醇被稱為2l世紀(jì)的新型燃料，工業(yè)上通過下列反應(yīng)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）通入反應(yīng)室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）…I，CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1．
①已知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率為0.003 mol•L^-1•min^-1．
②圖中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時(shí)平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
③在其它條件不變時(shí)降低溫度，逆反應(yīng)速率將減小（填“增大”“減小”或“不變”）．
（2）壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，a mol CO與3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）…Ⅱ．
④該反應(yīng)的△H＜0，△S＜0（填“＜”、“＞”或“=”）．
⑤若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)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(qiáng)增大    D．再充入l mol CO和3mol H₂
⑥為了尋找合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的表中．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	n�。–）/n	P（MPa）
Ⅰ	150	$\frac{1}{3}$	0.1
Ⅱ	150	$\frac{1}{3}$	5
Ⅲ	350	$\frac{1}{3}$	5

A．請?jiān)谏媳砜崭裰刑钊胧Ｓ嗟膶?shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)．
B．根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點(diǎn)，在給出的坐標(biāo)圖中，畫出其在0.1MPa和5MPa條件下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的趨勢曲線示意圖2，并標(biāo)明各條曲線的壓強(qiáng)．

Answer 1

分析 （1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
            CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0     2.0         0      0
變化量（mol）：0.5     0.5         0.5    1.5
平衡量（mol）：0.5     1.5         0.5    1.5
①根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算用H₂表示的平均反應(yīng)速率；
②相同溫度時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減��；根據(jù)K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$計(jì)算平衡常數(shù)；
③在其它條件不變時(shí)降低溫度，正逆反應(yīng)速率都減��；
（2）④正反應(yīng)氣體物質(zhì)的量減小，混亂度減小，即為熵減的反應(yīng)，在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)，說明正反應(yīng)為焓減的放熱反應(yīng)；
⑤A．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)；
B．將CH₃OH（g）從體系中分離出來，平衡正向移動(dòng)；
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)；
D．再充入l mol CO和3mol H₂，反應(yīng)物濃度增大，平衡正向移動(dòng)，等效為增大壓強(qiáng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大；
⑥目的是探究溫度、壓強(qiáng)的適宜條件，應(yīng)采取控制變量法，I為對照實(shí)驗(yàn)，Ⅱ與I的壓強(qiáng)不同，Ⅲ與I的溫度不同，其它條件應(yīng)相同；
一定溫度下，增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率降低；壓強(qiáng)一定時(shí)，由于正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率減�。�

解答 解：（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為100L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
             CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0        0
變化量（mol）：0.5      0.5       0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5       0.5      1.5
①H₂表示的平均反應(yīng)速率=$\frac{\frac{1.5mol}{100L}}{5min}$=0.003 mol•L^-1•min^-1，故答案為：0.003 mol•L^-1•min^-1；
②相同溫度時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，則P₁＜P₂，
平衡濃度為c（CH₄）=0.005mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，平衡常數(shù)K=$\frac{0.005×0.01{5}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案為：2.25×10^-4；
③在其它條件不變時(shí)降低溫度，正逆反應(yīng)速率都減小，故答案為：減�。�
（2）④正反應(yīng)氣體物質(zhì)的量減小，混亂度減小，則△S＜0，在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)，說明正反應(yīng)為焓減的放熱反應(yīng)，即△H＜0，
故選：＜；＜；
⑤A．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率減小，故A正確；
B．將CH₃OH（g）從體系中分離出來，平衡正向移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率增大，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；
D．再充入l mol CO和3mol H₂，反應(yīng)物濃度增大，平衡正向移動(dòng)，等效為增大壓強(qiáng)，反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率增大，則甲醇產(chǎn)率增大，故D正確；
⑥目的是探究溫度、壓強(qiáng)的適宜條件，應(yīng)采取控制變量法，I為對照實(shí)驗(yàn)，Ⅱ與I的壓強(qiáng)不同，Ⅲ與I的溫度不同，其它條件應(yīng)相同，故實(shí)驗(yàn)I溫度為150℃，n（C）=$\frac{1}{3}$，實(shí)驗(yàn)Ⅲ中n（C）=$\frac{1}{3}$；
一定溫度下，增大壓強(qiáng)，平衡正向移動(dòng)，平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率降低；壓強(qiáng)一定時(shí)，由于正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度平衡逆向移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率減小，0.1MPa和5MPa條件下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的趨勢曲線示意圖為：，
故答案為：

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	n�。–）/n	P（MPa）
Ⅰ
Ⅱ	150	$\frac{1}{3}$
Ⅲ		$\frac{1}{3}$

；．

點(diǎn)評 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、平衡常數(shù)、探究外界條件對平衡的影響等，注意利用控制變量法分析探究外界條件對平衡影響，難度中等．