Question

5．甲醇是一种很好的燃料，工业上用CH₄和H₂O为原料，通过反应Ⅰ和Ⅱ来制备甲醇．

（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反应室（容积为100L），在一定条件下发生反应：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）…Ⅰ．CH₄的转化率与温度、压强的关系如图1．
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0.0030 mol/（L•min）．
②图中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃时平衡常数为2.25×10^-4．
③该反应的△H＞0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（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反应生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H＜0…Ⅱ．
①若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是BD．
A．升高温度                                    B．将CH₃OH（g）从体系中分离
C．充入He，使体系总压强增大           D．再充入1mol CO和3mol H₂
②为了寻找合成甲醇的温度和压强的适宜条件，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中．

实验编号	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．则上表中剩余的实验条件数据：a=150、b=$\frac{1}{3}$．
B．根据反应Ⅱ的特点，图2是在压强分别为0.1MPa和5MPa下CO的转化率随温度变化的曲线图，请指明图中的压强P_x=0.1MPa．

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，代入平衡常数计算．
③由图可知，温度越高甲烷的转化率越大，即升高温度平衡向正反应方向移．
（2）①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．
②采取控制变量法，探究合成甲醇的温度和压强的适宜条件，据此判断a、b的值．
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CO的转化率，由此判断．

解答 解：（1）①由图知道平衡时甲烷的转化率为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），速率之比等于化学计量数之比，所以v（H₂）=3v（CH₄）=3×0.001mol/（L•min）=0.003mol/（L•min）．
故答案为：0.003mol/（L•min）．
②温度相同时，作垂直x轴的辅助线，发现压强为P₁的CH₄的转化率高，反应为前后体积增大的反应，压强增大平衡向体积减小的方向移动，即向逆反应移动，CH₄的转化率降低，所以P₁＜P₂．
               CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），
开始（mol）：1.0        2.0               0        0
变化（mol）：1.0×0.5    0.5               0.5      1.5
平衡（mol）：0.5        1.5               0.5      1.5
所以平衡常数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，
故答案为：＜；2.25×10^-4
③由图可知，温度越高甲烷的转化率越大，即升高温度平衡向正反应方向移，温度升高平衡向吸热方向移动，所以正反应为吸热反应，即△H＞0．
故答案为：＞
（2）①A、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错误；
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．
故选：BD，
故答案为：BD；
②A、采取控制变量法，探究合成甲醇的温度和压强的适宜条件，所以温度、压强是变化的，$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$应保持不变，所以b=$\frac{1}{3}$；比较使用1、2，压强不同，所以温度应相同，故a=150．
故答案为：a=150；b=$\frac{1}{3}$；
B、温度相同时，作垂直x轴的辅助线，发现压强为P_y的CO的转化率高，反应为前后体积减小的反应，压强增大平衡向体积减小的方向移动，即向正反应移动，所以P_x＜P_y，所以压强P_x=0.1MPa．
故答案为：0.1

点评 本题考查化学反应速率、平衡常数、化学平衡计算、化学平衡的影响因素及读图能力等，综合性较大，难度中等，知识面广，应加强平时知识的积累．注意控制变量法与定一议二原则应用．