Question

3．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l00L），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、壓強的關(guān)系如圖1所示．
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(yīng)速率為0.003mol/（L•min）．
②圖中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時平衡常數(shù)為2.25×10^-4．
③該反應(yīng)的△H＞0 （填“＜”、“＞”或“=”）．
（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(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H＜0Ⅱ．
①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是BD（填序號）．
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．再充人lmolCO和3mol H2
②為了尋找合成甲醇的適宜溫度和壓強，某同學設(shè)計了三組實驗，部分實驗條件已經(jīng)填在了如表的實驗設(shè)計表中．如表中剩余的實驗條件數(shù)據(jù)：

實驗編號	T（℃）	n（CO）/n（H2）	p（MPa）
l	150	$\frac{1}{3}$	0.1
2	n	$\frac{1}{3}$	5
3	350	m	5

n=150，m=$\frac{1}{3}$．
b．根據(jù)反應(yīng)Ⅱ的特點，如圖2是在壓強分別為0.1 MPa和5 MPa下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的曲線圖，請指明圖中的壓強P_x=0.1MPa．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖知道平衡時甲烷的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化率，由此判斷；
平衡常數(shù)k=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$，計算出平衡時，各組分的濃度，代入平衡常數(shù)計算．
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，根據(jù)外界條件對平衡的影響分析．
②a．采取控制變量法，探究合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，據(jù)此判斷a、b的值．
b．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CO的轉(zhuǎn)化率，由此判斷．

解答 解：（1）①由圖知道平衡時甲烷的轉(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），速率之比等于化學計量數(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，作垂直x軸的輔助線，發(fā)現(xiàn)壓強為P₁的CH₄的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為前后體積增大的反應(yīng)，壓強增大平衡向體積減小的方向移動，即向逆反應(yīng)移動，CH₄的轉(zhuǎn)化率降低，所以P₁＜P₂．
                        CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），
開始（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，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，即向逆反應(yīng)方向移動，甲醇的產(chǎn)率降低，故A錯誤；
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，甲醇的產(chǎn)率增加，故B錯誤；
C、充入He，使體系總壓強增大，容器容積不變，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動，甲醇的產(chǎn)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(yīng)方向移動，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的適宜條件，所以溫度、壓強是變化的，$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$應(yīng)保持不變，所以m=$\frac{1}{3}$；比較使用1、2，壓強不同，所以溫度應(yīng)相同，故n=150．
故答案為：150；$\frac{1}{3}$；
b、溫度相同時，作垂直x軸的輔助線，發(fā)現(xiàn)壓強為P_y的CO的轉(zhuǎn)化率高，反應(yīng)為前后體積減小的反應(yīng)，壓強增大平衡向體積減小的方向移動，即向正反應(yīng)移動，所以P_x＜P_y，所以壓強P_x=0.1MPa．
故答案為：0.1．

點評 本題考查化學反應(yīng)速率、平衡常數(shù)、化學平衡計算、化學平衡的影響因素及讀圖能力等，綜合性較大，難度中等，知識面廣，應(yīng)加強平時知識的積累．注意控制變量法與定一議二原則應(yīng)用．