Question

甲醇被稱為2l世紀(jì)的新型燃料，工業(yè)上通過(guò)下列反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O為原料來(lái)制備甲醇：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）…ⅠCO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g） …Ⅱ．

（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為100L反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖1．
①已知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率為

 

．
②圖中的P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時(shí)平衡常數(shù)的值為

 

．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，將a mol CO與 3a mol H₂的混合氣體在催化劑作用下，自發(fā)反應(yīng)Ⅱ，生成甲醇．
③該反應(yīng)的△H

 

0；若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)率的是

 

．
A．升高溫度                       B．將CH₃OH（g）從體系中分離
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大      D．再充入1mol CO和3mol H₂
④為了尋找合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，某同學(xué)設(shè)計(jì)了三組實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)條件已經(jīng)填在下面實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)表中．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	N（CO）/n（H2）	P（Mpa）
i	150	1 3	0.1
ii			5
iii	350		5

a．請(qǐng)?jiān)谏媳砜崭裰刑钊胧Ｓ嗟膶?shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)．
b．根據(jù)反應(yīng)ii的特點(diǎn)，在給出的坐標(biāo)圖2中，補(bǔ)畫(huà)出在5MPa條件下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的趨勢(shì)曲線示意圖，并標(biāo)明壓強(qiáng)．

Answer 1

考點(diǎn)：化學(xué)平衡的計(jì)算,化學(xué)平衡的影響因素,轉(zhuǎn)化率隨溫度、壓強(qiáng)的變化曲線

專題：化學(xué)平衡專題

分析：（1）由100℃平衡CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5可知，消耗CH₄0.5mol，計(jì)算CH₄的濃度變化量，再根據(jù)v=

△c

△t

計(jì)算v（CH₄），利用三段式計(jì)算平衡時(shí)各組分的平衡濃度，
①根據(jù)v=

△c

△t

計(jì)算v（H₂）；
②采取控制變量法分析，反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向體積減小的方向移動(dòng)，根據(jù)甲烷的轉(zhuǎn)化率判斷；將平衡時(shí)各組分的平衡濃度代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算；
（2）③由圖2可知，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說(shuō)明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)；增加甲醇產(chǎn)率，應(yīng)改變條件使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，根據(jù)平衡移動(dòng)原理分析解答；
④a、該同學(xué)通過(guò)“控制變量法”探究外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響，探究的前提只能是改變一個(gè)條件，而其它條件不變，據(jù)此解答；
b、反應(yīng)ii與反應(yīng)i相比，ii中壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，相同溫度下，CO的轉(zhuǎn)化率增大，據(jù)此作圖．

解答： 解：（1）由100℃平衡CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5可知，消耗CH₄為1mol×0.5=0.5mol，平衡時(shí)甲烷的濃度變化量為

0.5mol

100L

=5×10^-3mol/L，則：
               CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開(kāi)始（mol/L）：0.01     0.02     0       0
變化（mol/L）：0.005    0.005    0.005   0.015
平衡（mol/L）：0.005    0.015    0.005    0.015
①v（H₂）=

0.015mol/L

3min

=0.003mol/（L?min），故答案為：0.003mol/（L?min）；
②由圖可知溫度相同時(shí)，到達(dá)平衡時(shí)，壓強(qiáng)為P₁的CH₄轉(zhuǎn)化率高，正反應(yīng)為氣體體積增大的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率降低，故壓強(qiáng)P₁＜P₂；100℃時(shí)平衡常數(shù)=

0.0153×0.005

0.005×0.015

=2.25×10^-4，
故答案為：＜；2.25×10^-4；
（2）③由圖2可知，溫度越高CO的轉(zhuǎn)化率越小，說(shuō)明升高溫度平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，則正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，即△H＜0；
增加甲醇產(chǎn)率，應(yīng)改變條件使平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，
A．正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率減小，故A錯(cuò)誤；
B．將CH₃OH（g）從體系中分離，降低生成物的濃度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，容器的容積不變，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；
D．再充入1mol CO和3mol H₂，可以等效為增大壓強(qiáng)，平衡向體積減小的正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增大，故D正確，
故答案為：＜；BD；
④a、通過(guò)“控制變量法”探究外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響，探究的前提只能是改變一個(gè)條件，而其它條件不變，由此可得：ii中溫度為150℃，n （CO）/n（H₂）為

1

3

，iii中n （CO）/n（H₂）為

1

3

，
故答案為：

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	n（CO）/n（H2）	P（Mpa）
i
ii	150	1 3
iii		1 3

；
b、反應(yīng)ii與反應(yīng)i相比，ii中壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，相同溫度下，CO的轉(zhuǎn)化率增大，故在5MPa條件下CO的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化的趨勢(shì)曲線示意圖為：，
故答案為：．

點(diǎn)評(píng)：本題考查化學(xué)平衡圖象、反應(yīng)速率計(jì)算、化學(xué)平衡常數(shù)的有關(guān)計(jì)算、化學(xué)平衡的影響因素等，難度中等，（2）中注意通過(guò)“控制變量法”探究外界條件對(duì)化學(xué)平衡的影響．