Question

【題目】甲醇被稱為2l世紀的新型燃料，工業(yè)上可以用CH4和H2O為原料來制備甲醇．

（1）將1.0mol CH4和2.0mol H2O（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：CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g），CH4的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強的關(guān)系如圖甲：

已知100℃,壓強為P1時,達到平衡所需的時間為5min，

①則用 H2 表示的平均反應(yīng)速率為______．

②在其它條件不變的情況下升高溫度，化學(xué)平衡常數(shù)將____（填“增大”“減小”或“不變”）．

③圖中的P1____P2（填“＜”、“＞”或“=”），在100℃,壓強為P1時平衡常數(shù)為_______．

④保持反應(yīng)體系100℃,壓強為P1，5min后再向容器中沖入H2O、 H2各0.5mol，化學(xué)平衡將向___移動（填“向左”“向右或“不”）．

（2）在一定條件下，將a mol CO與 3a mol H2的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)發(fā)生反應(yīng)

Ⅱ：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）

①該反應(yīng)的△H___0，△S___0（填“＜”、“＞”或“=”）．

②若容器容積不變，下列措施可以提高CO轉(zhuǎn)化率的是____．

A．升高溫度

B．將CH3OH（g）從體系中分離出來

C．充入He，使體系總壓強增大

D．再充入1mol CO和3mol H2．

Answer 1

【答案】0.030molL-1min-1 增大 ＜ 2.25×10-2 向左 ＜ ＜ BD

【解析】

(1)①根據(jù)圖知道平衡時甲烷的轉(zhuǎn)化率,求出c(CH4),根據(jù)v=c/t 計算v(CH4),利用速率之比等于化學(xué)計量數(shù)之比計算v(H2)；
②轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強圖象有三個變量,應(yīng)“定一議二”；
③根據(jù)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(zhuǎn)化率,由此判斷;平衡常數(shù)k=c(CO)c2(H2)/c(CH4)c(H2O)，計算出平衡時各組分的濃度,代入平衡常數(shù)表達式計算；
④保持反應(yīng)體系為100℃,5min后再向容器中沖入H2O、H2各0.5mol,根據(jù)濃度商與平衡常數(shù)的相對大小的判斷；
(2)①混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇,則說明正反應(yīng)是放熱反應(yīng),正反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)；
②容器容積不變,增加甲醇產(chǎn)率,平衡向正反應(yīng)移動,根據(jù)外界條件對平衡的影響分析。

(1)①由100℃平衡CH4的轉(zhuǎn)化率為0.5可以知道,消耗CH4為1×0.5=0.5mol，平衡時甲烷的濃度變化量為:0.5/10=0.05mol/L,根據(jù)甲烷與氫氣的計量數(shù)關(guān)系,則: v(H2)=3 v(CH4)=3×0.05/5=0.030molL-1min-1；因此，本題正確答案是: 0.030molL-1min-1。
②當壓強為p1時,升高溫度,甲烷的轉(zhuǎn)化率提高,平衡向正向移動,所以正向為吸熱反應(yīng),所以升高溫度平衡常數(shù)變大；綜上所述，本題答案是：增大。

③通過圖表可以知道當溫度相同時,p2→p1時,甲烷的轉(zhuǎn)化率提高,平衡向正向移動,正向為氣體系數(shù)增大的反應(yīng),根據(jù)減小壓強平衡向系數(shù)增大的方向移動可得出p1< p2；因此，本題正確答案是: ＜。

④ CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）

初始濃度: 0.1 0.2 0 0
變化濃度: 0.05 0.05 0.05 0.15
平衡濃度: 0.05 0.15 0.05 0.15
100℃時平衡常數(shù)=0.05×（0.15）3/0.05×0.15= 2.25×10-2；5min后再向容器中沖入H2O、 H2各0.5mol，各物質(zhì)濃度為：c(H2O)=0.15+0.05=0.2mol/L，c(H2)= =0.15+0.05=0.2mol/L，QC=0.23×0.05/0.05×0.2=0.04> 2.25×10-2，正反應(yīng)速率小于逆反應(yīng)速率，平衡向左移動；綜上所述，本題答案是：2.25×10-2，向左。

(2)①混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇,則說明正反應(yīng)是放熱反應(yīng),所以△H<0 ；正反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng),氣體的物質(zhì)的量越多,其熵越大,所以△S<0；因此，本題正確答案是:<， <。

②A.該反應(yīng)為放熱反應(yīng),升高溫度,平衡向吸熱方向移動,即向逆反應(yīng)方向移動, CO轉(zhuǎn)化率降低，故A錯誤；

B.將 CH3OH（g）從體系中分離,產(chǎn)物的濃度降低，平衡向正反應(yīng)移動，CO轉(zhuǎn)化率增大，故B正確；
C.充入He，使體系總壓強增大，容器容積不變，反應(yīng)混合物各組分濃度不變，平衡不移動, CO轉(zhuǎn)化率不變，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(yīng)方向移動，CO轉(zhuǎn)化率增大，故D正確；
因此，本題正確答案是:BD。