Question

甲醇被稱為2l世紀(jì)的新型燃料，工業(yè)上通過下列反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O為原料來制備甲醇：
CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)……Ⅰ   CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g) ……Ⅱ。
（1）將1.0 mol CH₄和2.0 mol 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0.1 MPa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)圖中，補(bǔ)畫出在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

（共16分）
（1）（7分）①0.003mol/（L·min）（2分）   ②<（2分）       2.25×10^－4（3分）  ^­
（2）（9分）③<（2分） BD（2分）  
④a．（見下表，3分）  

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

 
b．（見下圖，2分）

試題分析：（1）①起始時(shí)c(CH₄)=1.0mol/100L=0.01mol/L，讀圖可知平衡時(shí)CH₄轉(zhuǎn)化率為0.5，則CH₄的變化濃度為0.01mol/L×0.5=0.005mol/L，根據(jù)化學(xué)反應(yīng)速率計(jì)算公式可知，v(CH₄)= 0.005mol/L÷5min=0.001mol/(L?min)，根據(jù)系數(shù)之比等于速率之比可知，v(H₂)="3" v(CH₄)= 0.003mol/(L?min)；②I是氣態(tài)物質(zhì)體積增大的反應(yīng)，因此增大壓強(qiáng)平衡左移，CH₄轉(zhuǎn)化率減小，減小壓強(qiáng)平衡右移，CH₄轉(zhuǎn)化率增大，即壓強(qiáng)越小，CH₄轉(zhuǎn)化率越大，讀圖可知，200℃、P₁時(shí)CH₄轉(zhuǎn)化率大于200℃、P₂時(shí)CH₄轉(zhuǎn)化率，說明P₁< P₂；在P₁、100℃時(shí)，
CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)
起始濃度/ mol·L^－1      0.01    0.02       0      0
變化濃度/ mol·L^－1     0.005    0.005     0.005  0.015
平衡濃度/ mol·L^－1     0.005    0.015     0.005  0.015
K="[" c(CO)?c³(H₂)]/[ c(CH₄)?c(H₂O)]= [0.005×0.015³]/[ 0.005×0.015]=2.25×10ˉ⁴
（2）③II是氣態(tài)物質(zhì)體積減小的反應(yīng)，不符合熵增原理，則正反應(yīng)符合焓判據(jù)，△H<0；正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，升高溫度平衡左移，甲醇產(chǎn)率減小，故A錯(cuò)誤；減小生成物濃度，平衡右移，甲醇產(chǎn)率增大，故B正確；充入惰性氣體，雖然增大壓強(qiáng)，但是容器容積不變，各組分濃度不變，平衡不移動(dòng)，甲醇產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；再充入投料比相同的CO和H₂，就是增大壓強(qiáng)，使平衡右移，甲醇產(chǎn)率增大，故D正確；④a、根據(jù)控制變量探究的原則，實(shí)驗(yàn)i和ii的壓強(qiáng)不同，則溫度和投料比一定相同；實(shí)驗(yàn)ii和iii的溫度不同，則投料比和壓強(qiáng)一定相同；由此確定實(shí)驗(yàn)ii的溫度為150℃，投料比為1/3，實(shí)驗(yàn)iii的投料比為1/3；b、畫圖要點(diǎn)：相同溫度下，增大壓強(qiáng)平衡右移，CO轉(zhuǎn)化率增大，則0.1MPa時(shí)CO轉(zhuǎn)化率隨溫度變化曲線向右適當(dāng)平移，就變?yōu)?MPa時(shí)CO轉(zhuǎn)化率隨溫度變化曲線。