Question

15．以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应来制备甲醇．
I：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）△H=+206.0kJ•mol^-1
II：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）△H=-129.0kJ•mol^-1
（1）CH₄（g）与H₂O（g）反应生成CH₃OH （g）和H₂（g）的热化学方程式为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g） H=+77kJ•mol^-1．
（2）将1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容积为10L的反应室，在一定条件下发生反应I，测得在一定的压强下CH₄的转化率与温度的关系右图．
①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示该反应的反应速率为0.03 mol•L^-1•min^-1．
②100℃时反应I的平衡常数为2.25×10^-2．
（3）若在恒温恒压容器内进行反应II，下列能说明该反应达到平衡状态的有BD（填序号）．
A．有2个H-H键生成的同时有 3个C-H键断裂
B．CO百分含量保持不变
C．容器中混合气体的压强保持不变
D．容器中混合气体的密度保持不变
（4）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将amol CO与3amol H₂的混合气体在催化剂作用下发生反应II生成甲醇，平衡后将容器的容积压缩到原来的l/2，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是CD（填序号）．
A．c（H₂） 减少       B．正反应速率加快，逆反应速率减慢
C．n（CH₃OH） 增加   D．$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$减小    E．平衡常数K增大．

Answer 1

分析 （1）已知：I：CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.0kJ•mol^-1
II：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ•mol^-1
依据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g），反应热也进行需要计算；
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为10L的反应室，由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：
             CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0      0
变化量（mol）：0.5      0.5       0.5    1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5       0.5    1.5
①根据c=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$计算v（H₂）；
②计算平衡状态时各物质的浓度，代入平衡常数表达式K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$；
（3）可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不变化说明到达平衡；
（4）其他条件不变，平衡后将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，压强增大，正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大更多，平衡向正反应方向移动，生成物的浓度增大，由于温度不变，则平衡常数不变，结合平衡常数可知，平衡时反应物各组分的浓度都增大．

解答 解：（1）I：CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）△H=+206.0kJ•mol^-1
II：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ•mol^-1
依据盖斯定律，Ⅰ+Ⅱ得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g） H=+77kJ•mol^-1
故答案为：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g） H=+77kJ•mol^-1；
（2）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容积固定为10L的反应室，在一定条件下发生反应I，由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：
             CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0     2.0       0        0
变化量（mol）：0.5     0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5     0.5      1.5
①用H₂表示的平均反应速率为$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，故答案为：0.03 mol•L^-1•min^-1；
②100℃时反应I的平衡浓度为c（CH₄）=0.050mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，平衡常数K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$=$\frac{0.05×0.1{5}^{3}}{0.05×0.15}$=2.25×10^-2，
故答案为：2.25×10^-2；
（3）若在恒温恒压容器内进行反应II：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ•mol^-1，
A．有2个H-H键生成的同时有 3个C-H键断裂，均表示逆反应速率，反应始终按该比例关系进行，故A错误；
B．CO百分含量保持不变，说明反应到达平衡，故B正确；
C．恒温恒压下，容器中混合气体的压强始终保持不变，故C错误；
D．混合气体总质量不变，随反应进行混合物物质的量变化，恒温恒压条件下，容器容积变化，容器中混合气体的密度发生变化，当容器内混合气体密度保持不变，说明到达平衡，故D正确，
故选：BD；
（4）A．平衡后将容器的容积压缩到原来的$\frac{1}{2}$，压强增大，平衡向正反应方向移动，生成物的浓度增大，由于平衡常数不变，结合平衡常数可知，平衡时反应物各组分的浓度都增大，故A错误；
B．压强增大，正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大更多，故B错误；
C．压强增大，平衡向正反应方向移动，CH₃OH 的物质的量增加，故C正确；
D．压强增大，平衡向正反应方向移动，氢气的物质的量减小、甲醇的物质的量增大，故重新平衡$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$减小，故D正确；
E．平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数不变，故E错误，
故答案为：CD．

点评 本题考查化学平衡计算与影响因素、反应速率计算、平衡常数、热化学方程式等，题目综合性较大，需要学生具备扎实的基础与灵活运用能力，难度中等．