Question

5．甲醇被称为2l世纪的新型燃料，工业上通过下列反应Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O为原料来制备甲醇．
（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容积为10L的反应室，在一定条件下发生反应Ⅰ：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），CH₄的转化率与温度、压强的关系如图：
①已知100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示的平均反应速率为0.030mol•L^-1•min^-1．
②在其它条件不变的情况下升高温度，化学平衡常数将增大（填“增大”“减小”或“不变”）．
③图中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃时平衡常数为2.25×10^-2．
④保持反应体系为100℃，5min后再向容器中冲入H₂O、H₂各0.5mol，化学平衡将向向左移动（填“向左”“向右”或“不”）．
（2）在压强为0.1MPa条件下，将a mol CO与 3a mol H₂的混合气体在催化剂作用下能自发发生反应Ⅱ：
CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）
①该反应的△H＜0，△S＜0（填“＜”、“＞”或“=”）．
②若容器容积不变，下列措施可以提高CO转化率的是BD．
A．升高温度
B．将CH₃OH（g）从体系中分离出来
C．充入He，使体系总压强增大
D．再充入1mol CO和3mol H₂．

Answer 1

分析 （1）①根据图知道平衡时甲烷的转化率，求出△c（CH₄），根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（CH₄），利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H₂）；
②转化率与温度、压强图象有三个变量，应“定一议二”；
③根据定一议二原则，定温度同，再比较压强，即作垂直x轴的辅助线，比较平衡时甲烷的转化率，由此判断；平衡常数k=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）•c（{H}_{2}O）}$，计算出平衡时各组分的浓度，代入平衡常数表达式计算；
④保持反应体系为100℃，5min后再向容器中冲入H₂O、H₂各0.5mol，根据浓度商与平衡常数的相对大小的判断；
（2）①混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇，则说明正反应是放热反应，正反应是气体物质的量减小的反应；
②容器容积不变，增加甲醇产率，平衡向正反应移动，根据外界条件对平衡的影响分析．

解答 解：（1）①由100℃平衡CH₄的转化率为0.5可知，消耗CH₄为1mol×0.5=0.5mol，平衡时甲烷的浓度变化量为：$\frac{0.5}{10}$=5×10^-2mol/L，根据甲烷与氢气的计量数关系，则：v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{5×1{0}^{-2}}{5min}$=0.030mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.030mol•L^-1•min^-1；
②通过图表可知当温度相同时，p2→p1时，甲烷的转化率提高，平衡向正向移动，正向为气体系数增大的反应，根据减小压强平衡向系数增大的方向移动可得出p1＜p2；当压强为p1时，升高温度，甲烷的转化率提高，平衡向正向移动，所以正向为吸热反应，所以升高温度平衡常数变大，故答案为：增大；
③由图可知温度相同时，到达平衡时，压强为P₁的CH₄转化率高，正反应为气体体积增大的反应，增大压强平衡向逆反应方向移动，甲烷的转化率降低，故压强P₁＜P₂，
             CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始浓度：0.1        0.2           0            0
变化浓度：0.05      0.05        0.05     0.15
平衡浓度：0.05      0.15        0.05     0.15
100℃时平衡常数=$\frac{0.05×（0.15）^{3}}{0.05×0.15}$（mol/L）²=2.25×10^-2 （mol/L）²，
故答案为：＜；2.25×10^-2；
④保持反应体系为100℃，5min后再向容器中冲入H₂O、H₂各0.5mol，Qc=$\frac{0.05×（0.2）^{3}}{0.05×0.2}$=4×10^-2＞K，所以平衡向左移动，故答案为：向左；
（2）①混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇，则说明正反应是放热反应，所以△H＜0；正反应是气体物质的量减小的反应，气体的物质的量越多，其熵越大，所以△S＜0，故答案为：＜；＜；
②A．该反应为放热反应，升高温度，平衡向吸热方向移动，即向逆反应方向移动，甲醇的产率降低，故A错误；
B．将CH₃OH（g）从体系中分离，产物的浓度降低，平衡向正反应移动，甲醇的产率增加，故B正确；
C．充入He，使体系总压强增大，容器容积不变，反应混合物各组分浓度不变，平衡不移动，甲醇的产率不变，故C错误；
D．再充入1mol CO和3mol H₂，可等效为压强增大，平衡向体积减小的方向移动，即向正反应方向移动，甲醇的产率增加，故D正确，
故答案为：BD．

点评 本题考查化学平衡计算、化学反应速率、平衡常数、化学平衡的影响因素及等，难度中等，注意控制变量法与定一议二原则应用．