Question

2．甲醇被稱為21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）通入反應室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應：CH₄（g）+H₂O（g）═CO（g）+3H₂（g）…Ⅰ，CH₄的轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示．
①已知100°C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0.0030mol•L^-1•min^-1．
②圖中的p₁＜p₂（填“＜”“＞”或“=”），100°C時平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
③在其他條件不變的情況下降低溫度，逆反應速率將減�。ㄌ睢霸龃蟆薄皽p小”或“不變”）．
（2）在壓強為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)反應生成甲醇：
CO（g）+2H₂（g）═CH₃OH（g）…Ⅱ．
④該反應的△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，使體系總壓強增大         D．再充入1mol CO和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）①由圖可知，100°C時達到平衡時甲烷的轉化率為0.5，則轉化的甲烷為0.5mol，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；
③降低溫度，正逆反應速率都減��；
（2）④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；
⑤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由圖可知，100°C時達到平衡時甲烷的轉化率為0.5，則轉化的甲烷為0.5mol，速率之比等于化學計量數(shù)之比，則v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{\frac{0.5mol}{100L}}{5min}$=0.0030mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.0030mol•L^-1•min^-1；
②正反應為氣體體積減小的反應，恒溫條件下增大壓強，化學平衡逆向移動，甲烷的轉化率減小，所以P₁＜P₂，
         CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始濃度：0.01    0.02     0       0
變化濃度：0.005   0.005    0.005   0.015
平衡濃度：0.005   0.015    0.005   0.015
100℃時平衡常數(shù)=$\frac{0.005×（0.015）^{3}}{0.005×0.015}$（mol/L）²=2.25×10^-4 （mol/L）²，
故答案為：＜；2.25×10^-4；
③降低溫度，正逆反應速率都減小，故答案為：減��；
（2）④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：＜；＜；
⑤A．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．