Question

5．甲醇是一種很好的燃料，工業(yè)上用CH₄和H₂O為原料，通過(guò)反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ來(lái)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0.0030 mol/（L•min）．
②圖中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時(shí)平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
③該反應(yīng)的△H＞0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（2）在壓強(qiáng)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)反應(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H＜0…Ⅱ．
①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
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大           D．再充入1mol CO和3mol H₂
②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)表中．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	n（CO）/n（H2）	p（MPa）
1	150	$\frac{1}{3}$	0.1
2	a	$\frac{1}{3}$	5
3	350	b	5

A．則上表中剩余的實(shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)：a=150、b=$\frac{1}{3}$．
B．根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點(diǎn)，圖2是在壓強(qiáng)分別為0.1MPa和5MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線圖，請(qǐng)指明圖中的壓強(qiáng)P_x=0.1MPa．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖知道平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率，求出△c（CH₄），根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CH₄），利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）．
②根據(jù)定一議二原則，定溫度同，再比較壓強(qiáng)，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)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(jì)算出平衡時(shí)，各組分的濃度，代入平衡常數(shù)計(jì)算．
③由圖可知，溫度越高甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，即升高溫度平衡向正反應(yīng)方向移．
（2）①容器容積不變，增加甲醇產(chǎn)率，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，根據(jù)外界條件對(duì)平衡的影響分析．
②采取控制變量法，探究合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，據(jù)此判斷a、b的值．
③根據(jù)定一議二原則，定溫度同，再比較壓強(qiáng)，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率，由此判斷．

解答 解：（1）①由圖知道平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為0.5，所以△c（CH₄）=$\frac{1.0mol×0.5}{100L}$=0.005mol/L，
所以v（CH₄）=$\frac{0.005mol/L}{5min}$=0.001mol/（L•min），速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以v（H₂）=3v（CH₄）=3×0.001mol/（L•min）=0.003mol/（L•min）．
故答案為：0.003mol/（L•min）．
②溫度相同時(shí)，作垂直x軸的輔助線，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)為P₁的CH₄的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為前后體積增大的反應(yīng)，壓強(qiáng)增大平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向逆反應(yīng)移動(dòng)，CH₄的轉(zhuǎn)化率降低，所以P₁＜P₂．
               CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），
開(kāi)始（mol）：1.0        2.0               0        0
變化（mol）：1.0×0.5    0.5               0.5      1.5
平衡（mol）：0.5        1.5               0.5      1.5
所以平衡常數(shù)k=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.5mol}{100L}×（\frac{1.5mol}{100L}）^{3}}{\frac{0.5mol}{100L}×\frac{1.5mol}{100L}}$=2.25×10^-4，
故答案為：＜；2.25×10^-4
③由圖可知，溫度越高甲烷的轉(zhuǎn)化率越大，即升高溫度平衡向正反應(yīng)方向移，溫度升高平衡向吸熱方向移動(dòng)，所以正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，即△H＞0．
故答案為：＞
（2）①A、該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱方向移動(dòng)，即向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率降低，故A錯(cuò)誤；
B、將CH₃OH（g）從體系中分離，產(chǎn)物的濃度降低，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增加，故B錯(cuò)誤；
C、充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，容器容積不變，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；
D、再充入1mol CO和3mol H₂，可等效為壓強(qiáng)增大，平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增加，故D正確．
故選：BD，
故答案為：BD；
②A、采取控制變量法，探究合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，所以溫度、壓強(qiáng)是變化的，$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$應(yīng)保持不變，所以b=$\frac{1}{3}$；比較使用1、2，壓強(qiáng)不同，所以溫度應(yīng)相同，故a=150．
故答案為：a=150；b=$\frac{1}{3}$；
B、溫度相同時(shí)，作垂直x軸的輔助線，發(fā)現(xiàn)壓強(qiáng)為P_y的CO的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為前后體積減小的反應(yīng)，壓強(qiáng)增大平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)移動(dòng)，所以P_x＜P_y，所以壓強(qiáng)P_x=0.1MPa．
故答案為：0.1

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、化學(xué)平衡計(jì)算、化學(xué)平衡的影響因素及讀圖能力等，綜合性較大，難度中等，知識(shí)面廣，應(yīng)加強(qiáng)平時(shí)知識(shí)的積累．注意控制變量法與定一議二原則應(yīng)用．