Question

15．以CH₄和H₂O為原料，通過(guò)下列反應(yīng)來(lái)制備甲醇．
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）與H₂O（g）反應(yīng)生成CH₃OH （g）和H₂（g）的熱化學(xué)方程式為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g） H=+77kJ•mol^-1．
（2）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入容積為10L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測(cè)得在一定的壓強(qiáng)下CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系右圖．
①假設(shè)100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示該反應(yīng)的反應(yīng)速率為0.03 mol•L^-1•min^-1．
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡常數(shù)為2.25×10^-2．
（3）若在恒溫恒壓容器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)II，下列能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的有BD（填序號(hào)）．
A．有2個(gè)H-H鍵生成的同時(shí)有 3個(gè)C-H鍵斷裂
B．CO百分含量保持不變
C．容器中混合氣體的壓強(qiáng)保持不變
D．容器中混合氣體的密度保持不變
（4）在壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將amol CO與3amol H₂的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)II生成甲醇，平衡后將容器的容積壓縮到原來(lái)的l/2，其他條件不變，對(duì)平衡體系產(chǎn)生的影響是CD（填序號(hào)）．
A．c（H₂） 減少       B．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率減慢
C．n（CH₃OH） 增加   D．$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小    E．平衡常數(shù)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
依據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ可得：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g），反應(yīng)熱也進(jìn)行需要計(jì)算；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應(yīng)室，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
             CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0      2.0       0      0
變化量（mol）：0.5      0.5       0.5    1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5       0.5    1.5
①根據(jù)c=$\frac{\frac{△n}{V}}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
②計(jì)算平衡狀態(tài)時(shí)各物質(zhì)的濃度，代入平衡常數(shù)表達(dá)式K=$\frac{c（CO）×{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）×c（{H}_{2}O）}$；
（3）可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不變化說(shuō)明到達(dá)平衡；
（4）其他條件不變，平衡后將容器的容積壓縮到原來(lái)的$\frac{1}{2}$，壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于溫度不變，則平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大．

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
依據(jù)蓋斯定律，Ⅰ+Ⅱ得到：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g） H=+77kJ•mol^-1
故答案為：CH₄（g）+H₂O（g）=CH₃OH （g）+H₂（g） H=+77kJ•mol^-1；
（2）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O （ g ）通入容積固定為10L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：
             CH₄ （g）+H₂O （g）=CO （g）+3H₂ （g）
起始量（mol）：1.0     2.0       0        0
變化量（mol）：0.5     0.5      0.5      1.5
平衡量（mol）：0.5      1.5     0.5      1.5
①用H₂表示的平均反應(yīng)速率為$\frac{\frac{1.5mol}{10L}}{5min}$=0.03 mol•L^-1•min^-1，故答案為：0.03 mol•L^-1•min^-1；
②100℃時(shí)反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH₄）=0.050mol/L，c（H₂O）=0.015mol/L，c（CO）=0.005mol/L，c（H₂）=0.015mol/L，平衡常數(shù)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，
故答案為：2.25×10^-2；
（3）若在恒溫恒壓容器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)II：CO （g）+2H₂ （g）=CH₃OH （g）△H=-129.0kJ•mol^-1，
A．有2個(gè)H-H鍵生成的同時(shí)有 3個(gè)C-H鍵斷裂，均表示逆反應(yīng)速率，反應(yīng)始終按該比例關(guān)系進(jìn)行，故A錯(cuò)誤；
B．CO百分含量保持不變，說(shuō)明反應(yīng)到達(dá)平衡，故B正確；
C．恒溫恒壓下，容器中混合氣體的壓強(qiáng)始終保持不變，故C錯(cuò)誤；
D．混合氣體總質(zhì)量不變，隨反應(yīng)進(jìn)行混合物物質(zhì)的量變化，恒溫恒壓條件下，容器容積變化，容器中混合氣體的密度發(fā)生變化，當(dāng)容器內(nèi)混合氣體密度保持不變，說(shuō)明到達(dá)平衡，故D正確，
故選：BD；
（4）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來(lái)的$\frac{1}{2}$，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，生成物的濃度增大，由于平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時(shí)反應(yīng)物各組分的濃度都增大，故A錯(cuò)誤；
B．壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，故B錯(cuò)誤；
C．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CH₃OH 的物質(zhì)的量增加，故C正確；
D．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)的量增大，故重新平衡$\frac{c（{H}_{2}）}{c（C{H}_{3}OH）}$減小，故D正確；
E．平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變，故E錯(cuò)誤，
故答案為：CD．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算與影響因素、反應(yīng)速率計(jì)算、平衡常數(shù)、熱化學(xué)方程式等，題目綜合性較大，需要學(xué)生具備扎實(shí)的基礎(chǔ)與靈活運(yùn)用能力，難度中等．