Question

4．甲醇是一種很好的燃料，工業(yè)上用CH₄和H₂O（g）為原料，通過反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ來制備甲醇．請(qǐng)回答下列問題：
（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應(yīng)室（容積為100L）中，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所示．
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0.003mol•L^-1•min^-1．
②圖中的p₁＜p₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時(shí)的平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
③該反應(yīng)的△H＞0，△S＞0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（2）在壓強(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△H＜0 （Ⅱ）
①若容器的容積不變，下列措施可增大甲醇產(chǎn)率的是ABD（填序號(hào)）．
A．降低溫度
B．將CH₃OH（g）從體系中分離出來
C．恒容下充入He，使體系的總壓強(qiáng)增大
D．再充入a mol CO和3a mol H₂
②為了尋找合成甲醇的適宜溫度和壓強(qiáng)，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)填在了下面的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	n（CO）/n（H2）	P（MPa）
1	180	$\frac{2}{3}$	0.1
2	n	$\frac{2}{3}$	5
3	350	m	5

a．表中剩余的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：n=180，m=$\frac{2}{3}$．
b．根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點(diǎn)，如圖是在壓強(qiáng)分別為0.2MPa和5MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線，請(qǐng)指明圖2中的壓強(qiáng)p_x=0.2MPa．  

Answer 1

分析 （1）圖1中100℃時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為50%，則
        CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始  0.01         0.02              0           0
轉(zhuǎn)化  0.005        0.005           0.005    0.015
平衡  0.005       0.015            0.005     0.015
①結(jié)合v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算；
②相同溫度時(shí)，壓強(qiáng)越大，平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率越��；K為生成物濃度冪之積與反應(yīng)物濃度冪之積的比；
③該反應(yīng)為氣體的體積增大，且相同壓強(qiáng)時(shí)溫度越高、轉(zhuǎn)化率越大；
（2）①可增大甲醇產(chǎn)率，應(yīng)使平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，結(jié)合該反應(yīng)為放熱反應(yīng)、體積減小的反應(yīng)判斷；
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，據(jù)此判斷m、n的值；
b．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）圖1中100℃時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率為50%，則
        CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始  0.01         0.02              0           0
轉(zhuǎn)化  0.005        0.005           0.005    0.015
平衡  0.005       0.015            0.005     0.015
①100℃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v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.015mol/L}{5min}$=0.003mol•L^-1•min^-1，故答案為：0.003mol•L^-1•min^-1；
②相同溫度時(shí)，壓強(qiáng)越大，平衡逆向移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率越小，則圖中的p₁＜p₂；100℃時(shí)的平衡常數(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該反應(yīng)為氣體的體積增大，且相同壓強(qiáng)時(shí)溫度越高、轉(zhuǎn)化率越大，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則該反應(yīng)的△H＞0，△S＞0，
故答案為：＞；＞；
（2）①A．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，降低溫度，平衡正向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故A正確；
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正確；
C．恒容下充入He，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a mol CO和3a mol 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；
故答案為：ABD；
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m=$\frac{2}{3}$；比較使用1、2，壓強(qiáng)不同，所以溫度應(yīng)相同，故n=180，
故答案為：180；$\frac{2}{3}$；
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對(duì)應(yīng)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=0.2MPa，
故答案為：0.2．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡的計(jì)算，為高頻考點(diǎn)，把握化學(xué)平衡三段法、速率及K的計(jì)算、平衡移動(dòng)、化學(xué)平衡圖象為解答的關(guān)鍵，側(cè)重分析與計(jì)算能力的考查，注意平衡移動(dòng)原理的綜合應(yīng)用，題目難度不大．