Question

2．甲醇被称为21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、压强的关系如图所示．
①已知100°C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0.0030mol•L^-1•min^-1．
②图中的p₁＜p₂（填“＜”“＞”或“=”），100°C时平衡常数为2.25×10^-4．
③在其他条件不变的情况下降低温度，逆反应速率将减小（填“增大”“减小”或“不变”）．
（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（g）…Ⅱ．
④该反应的△H＜0，△S＜0（填“＜”“＞”或“=”）．
⑤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．

Answer 1

分析 （1）①由图可知，100°C时达到平衡时甲烷的转化率为0.5，则转化的甲烷为0.5mol，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，代入平衡常数表达式计算；
③降低温度，正逆反应速率都减小；
（2）④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；
⑤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由图可知，100°C时达到平衡时甲烷的转化率为0.5，则转化的甲烷为0.5mol，速率之比等于化学计量数之比，则v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{\frac{0.5mol}{100L}}{5min}$=0.0030mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.0030mol•L^-1•min^-1；
②正反应为气体体积减小的反应，恒温条件下增大压强，化学平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，所以P₁＜P₂，
         CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始浓度：0.01    0.02     0       0
变化浓度：0.005   0.005    0.005   0.015
平衡浓度：0.005   0.015    0.005   0.015
100℃时平衡常数=$\frac{0.005×（0.015）^{3}}{0.005×0.015}$（mol/L）²=2.25×10^-4 （mol/L）²，
故答案为：＜；2.25×10^-4；
③降低温度，正逆反应速率都减小，故答案为：减小；
（2）④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：＜；＜；
⑤A．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．