Question

4．甲醇是一种很好的燃料，工业上用CH₄和H₂O（g）为原料，通过反应Ⅰ和Ⅱ来制备甲醇．请回答下列问题：
（1）将1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反应室（容积为100L）中，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所示．
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0.003mol•L^-1•min^-1．
②图中的p₁＜p₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃时的平衡常数为2.25×10^-4．
③该反应的△H＞0，△S＞0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（2）在压强为0.1MPa条件下，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△H＜0 （Ⅱ）
①若容器的容积不变，下列措施可增大甲醇产率的是ABD（填序号）．
A．降低温度
B．将CH₃OH（g）从体系中分离出来
C．恒容下充入He，使体系的总压强增大
D．再充入a mol CO和3a mol H₂
②为了寻找合成甲醇的适宜温度和压强，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在了下面的实验设计表中．

实验编号	T（℃）	n（CO）/n（H2）	P（MPa）
1	180	$\frac{2}{3}$	0.1
2	n	$\frac{2}{3}$	5
3	350	m	5

a．表中剩余的实验数据：n=180，m=$\frac{2}{3}$．
b．根据反应Ⅱ的特点，如图是在压强分别为0.2MPa和5MPa下CO的转化率随温度变化的曲线，请指明图2中的压强p_x=0.2MPa．  

Answer 1

分析 （1）图1中100℃时甲烷的转化率为50%，则
        CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
开始  0.01         0.02              0           0
转化  0.005        0.005           0.005    0.015
平衡  0.005       0.015            0.005     0.015
①结合v=$\frac{△c}{△t}$计算；
②相同温度时，压强越大，平衡逆向移动，转化率越小；K为生成物浓度幂之积与反应物浓度幂之积的比；
③该反应为气体的体积增大，且相同压强时温度越高、转化率越大；
（2）①可增大甲醇产率，应使平衡向正反应移动，结合该反应为放热反应、体积减小的反应判断；
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，据此判断m、n的值；
b．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）图1中100℃时甲烷的转化率为50%，则
        CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
开始  0.01         0.02              0           0
转化  0.005        0.005           0.005    0.015
平衡  0.005       0.015            0.005     0.015
①100℃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v=$\frac{△c}{△t}$=$\frac{0.015mol/L}{5min}$=0.003mol•L^-1•min^-1，故答案为：0.003mol•L^-1•min^-1；
②相同温度时，压强越大，平衡逆向移动，转化率越小，则图中的p₁＜p₂；100℃时的平衡常数K=$\frac{0.005×0.01{5}^{3}}{0.005×0.015}$=2.25×10^-4，
故答案为：＜；2.25×10^-4；
③该反应为气体的体积增大，且相同压强时温度越高、转化率越大，正反应为吸热反应，则该反应的△H＞0，△S＞0，
故答案为：＞；＞；
（2）①A．该反应为放热反应，降低温度，平衡正向移动，甲醇的产率增大，故A正确；
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．恒容下充入He，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a mol CO和3a mol 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：ABD；
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m=$\frac{2}{3}$；比较使用1、2，压强不同，所以温度应相同，故n=180，
故答案为：180；$\frac{2}{3}$；
b．温度相同时，作垂直x轴的辅助线，发现压强为P_y对应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=0.2MPa，
故答案为：0.2．

点评 本题考查化学平衡的计算，为高频考点，把握化学平衡三段法、速率及K的计算、平衡移动、化学平衡图象为解答的关键，侧重分析与计算能力的考查，注意平衡移动原理的综合应用，题目难度不大．