Question

4．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1.0molCH₄和2.0molH₂O（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的平衡转化率与温度、压强的关系如右图．
①己知100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示的平均速率为0.0030mol•L^-1•min^-1．
②图中的P₁＜P₂（填“＜”“＞”或“=”），100℃时平衡常数的值为2.25×10^-4．
③在其它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，将amolCO与3amolH₂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1molCO和3molH₂
⑥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．请在表空格中填入剩余的实验条件数据．

实验编号	T（℃）	$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$	P（MPa）
ⅰ	150	$\frac{1}{3}$	0.1
ⅱ	150	$\frac{1}{3}$	5
ⅲ	350	$\frac{1}{3}$	5

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；
⑥寻找合成甲醇的温度和压强的适宜条件，先控制温度相同，比较压强；再控制压强相同，比较温度，其它因素不变，以此来解答．

解答 解：（1）①v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{\frac{1.0mol×0.5}{100L}}{5min}$=0.0030mol•L^-1•min^-1，
故答案为：0.0030mol•L^-1•min^-1；
②根据化学方程式可以得出，增大压强，化学平衡逆向移动，甲烷的转化率减小，可以去200℃来分析，发现甲烷的转化率是p₁时大于p₂时的，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K=$\frac{0.005×（0.015）^{3}}{0.005×0.015}$（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．
故答案为：BD；
⑥由控制变量法可知，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，$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$保持不变，均为$\frac{1}{3}$，比较使用ⅰ、ⅱ，压强不同，所以温度应相同，应为150℃，
故答案为：150；$\frac{1}{3}$；$\frac{1}{3}$．

点评 本题考查化学平衡的计算，为高频考点，把握图象分析、速率及K的计算、平衡移动、控制变量法为解答的关键，侧重分析与应用能力的考查，综合性较强，题目难度中等．