Question

5．甲醇是一種很好的燃料，工業上用CH₄和H₂O為原料，通過反應Ⅰ和Ⅱ來制備甲醇．

（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入反應室（容積為100L），在一定條件下發生反應：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）…Ⅰ．CH₄的轉化率與溫度、壓強的關系如圖1．
①已知100℃時達到平衡所需的時間為5min，則用H₂表示的平均反應速率為0.0030 mol/（L•min）．
②圖中的P₁＜P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時平衡常數為2.25×10^-4．
③該反應的△H＞0（填“＜”、“＞”或“=”）．
（2）在壓強為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能自發反應生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）；△H＜0…Ⅱ．
①若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是BD．
A．升高溫度                                    B．將CH₃OH（g）從體系中分離
C．充入He，使體系總壓強增大           D．再充入1mol CO和3mol H₂
②為了尋找合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，某同學設計了三組實驗，部分實驗條件已經填在下面實驗設計表中．

實驗編號	T（℃）	n（CO）/n（H2）	p（MPa）
1	150	$\frac{1}{3}$	0.1
2	a	$\frac{1}{3}$	5
3	350	b	5

A．則上表中剩余的實驗條件數據：a=150、b=$\frac{1}{3}$．
B．根據反應Ⅱ的特點，圖2是在壓強分別為0.1MPa和5MPa下CO的轉化率隨溫度變化的曲線圖，請指明圖中的壓強P_x=0.1MPa．

Answer 1

分析 （1）①根據圖知道平衡時甲烷的轉化率，求出△c（CH₄），根據v=$\frac{△c}{△t}$計算v（CH₄），利用速率之比等于化學計量數之比計算v（H₂）．
②根據定一議二原則，定溫度同，再比較壓強，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時甲烷的轉化率，由此判斷；
平衡常數k=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$，計算出平衡時，各組分的濃度，代入平衡常數計算．
③由圖可知，溫度越高甲烷的轉化率越大，即升高溫度平衡向正反應方向移．
（2）①容器容積不變，增加甲醇產率，平衡向正反應移動，根據外界條件對平衡的影響分析．
②采取控制變量法，探究合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，據此判斷a、b的值．
③根據定一議二原則，定溫度同，再比較壓強，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時CO的轉化率，由此判斷．

解答 解：（1）①由圖知道平衡時甲烷的轉化率為0.5，所以△c（CH₄）=$\frac{1.0mol×0.5}{100L}$=0.005mol/L，
所以v（CH₄）=$\frac{0.005mol/L}{5min}$=0.001mol/（L•min），速率之比等于化學計量數之比，所以v（H₂）=3v（CH₄）=3×0.001mol/（L•min）=0.003mol/（L•min）．
故答案為：0.003mol/（L•min）．
②溫度相同時，作垂直x軸的輔助線，發現壓強為P₁的CH₄的轉化率高，反應為前后體積增大的反應，壓強增大平衡向體積減小的方向移動，即向逆反應移動，CH₄的轉化率降低，所以P₁＜P₂．
               CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g），
開始（mol）：1.0        2.0               0        0
變化（mol）：1.0×0.5    0.5               0.5      1.5
平衡（mol）：0.5        1.5               0.5      1.5
所以平衡常數k=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$=$\frac{\frac{0.5mol}{100L}×（\frac{1.5mol}{100L}）^{3}}{\frac{0.5mol}{100L}×\frac{1.5mol}{100L}}$=2.25×10^-4，
故答案為：＜；2.25×10^-4
③由圖可知，溫度越高甲烷的轉化率越大，即升高溫度平衡向正反應方向移，溫度升高平衡向吸熱方向移動，所以正反應為吸熱反應，即△H＞0．
故答案為：＞
（2）①A、該反應為放熱反應，升高溫度，平衡向吸熱方向移動，即向逆反應方向移動，甲醇的產率降低，故A錯誤；
B、將CH₃OH（g）從體系中分離，產物的濃度降低，平衡向正反應移動，甲醇的產率增加，故B錯誤；
C、充入He，使體系總壓強增大，容器容積不變，反應混合物各組分濃度不變，平衡不移動，甲醇的產率不變，故C錯誤；
D、再充入1mol CO和3mol H₂，可等效為壓強增大，平衡向體積減小的方向移動，即向正反應方向移動，甲醇的產率增加，故D正確．
故選：BD，
故答案為：BD；
②A、采取控制變量法，探究合成甲醇的溫度和壓強的適宜條件，所以溫度、壓強是變化的，$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$應保持不變，所以b=$\frac{1}{3}$；比較使用1、2，壓強不同，所以溫度應相同，故a=150．
故答案為：a=150；b=$\frac{1}{3}$；
B、溫度相同時，作垂直x軸的輔助線，發現壓強為P_y的CO的轉化率高，反應為前后體積減小的反應，壓強增大平衡向體積減小的方向移動，即向正反應移動，所以P_x＜P_y，所以壓強P_x=0.1MPa．
故答案為：0.1

點評 本題考查化學反應速率、平衡常數、化學平衡計算、化學平衡的影響因素及讀圖能力等，綜合性較大，難度中等，知識面廣，應加強平時知識的積累．注意控制變量法與定一議二原則應用．