Question

4．甲醇被稱為21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．
  （1）將1.0molCH₄和2.0molH₂O（g）通入反應(yīng)室（容積為100L），在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）   （Ⅰ）
CH₄的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如右圖．
①己知100℃時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5min，則用H₂表示的平均速率為0.0030mol•L^-1•min^-1．
②圖中的P₁＜P₂（填“＜”“＞”或“=”），100℃時(shí)平衡常數(shù)的值為2.25×10^-4．
③在其它條件不變的情況下降低溫度，逆反應(yīng)速率將減小（填“增大”“減小”或“不變”）．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，將amolCO與3amolH₂的混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）（Ⅱ）
④該反應(yīng)的△H＜0，△S＜0．（填“＜”“＞”或“=”）．
⑤若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產(chǎn)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(qiáng)增大    D．再充入1molCO和3molH₂
⑥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．請(qǐng)?jiān)诒砜崭裰刑钊胧Ｓ嗟膶?shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)．

實(shí)驗(yàn)編號(hào)	T（℃）	$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$	P（MPa）
ⅰ	150	$\frac{1}{3}$	0.1
ⅱ	150	$\frac{1}{3}$	5
ⅲ	350	$\frac{1}{3}$	5

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖知道平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率，求出△c（CH₄），根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（CH₄），利用速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；
②根據(jù)定一議二原則，定溫度同，再比較壓強(qiáng)，即作垂直x軸的輔助線，比較平衡時(shí)甲烷的轉(zhuǎn)化率，由此判斷；
平衡常數(shù)K=$\frac{c（CO）{c}^{3}（{H}_{2}）}{c（C{H}_{4}）c（{H}_{2}O）}$，計(jì)算出平衡時(shí)，各組分的濃度，代入平衡常數(shù)計(jì)算；
③降低溫度，正逆反應(yīng)速率都減��；
（2）④混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇，則說(shuō)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)；
⑤容器容積不變，增加甲醇產(chǎn)率，平衡向正反應(yīng)移動(dòng)，根據(jù)外界條件對(duì)平衡的影響分析；
⑥尋找合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，先控制溫度相同，比較壓強(qiáng)；再控制壓強(qiáng)相同，比較溫度，其它因素不變，以此來(lái)解答．

解答 解：（1）①v（H₂）=3v（CH₄）=3×$\frac{\frac{1.0mol×0.5}{100L}}{5min}$=0.0030mol•L^-1•min^-1，
故答案為：0.0030mol•L^-1•min^-1；
②根據(jù)化學(xué)方程式可以得出，增大壓強(qiáng)，化學(xué)平衡逆向移動(dòng)，甲烷的轉(zhuǎn)化率減小，可以去200℃來(lái)分析，發(fā)現(xiàn)甲烷的轉(zhuǎn)化率是p₁時(shí)大于p₂時(shí)的，所以P₁＜P₂，
                CH₄（g）+H₂O（g）=CO（g）+3H₂（g）
初始濃度：0.01           0.02          0            0 
變化濃度：0.005         0.005        0.005      0.015
平衡濃度：0.005         0.015        0.005      0.015
100℃時(shí)平衡常數(shù)K=$\frac{0.005×（0.015）^{3}}{0.005×0.015}$（mol/L）²=2.25×10^-4 （mol/L）²，
故答案為：＜；2.25×10^-4；
③降低溫度，正逆反應(yīng)速率都減小，故答案為：減��；
（2）④混合氣體在催化劑作用下能自發(fā)反應(yīng)生成甲醇，則說(shuō)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，
故答案為：＜；＜；
⑤A．該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，升高溫度，平衡向吸熱方向移動(dòng)，即向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率降低，故A錯(cuò)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(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增加，故B錯(cuò)誤；
C．充入He，使體系總壓強(qiáng)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(dòng)，甲醇的產(chǎn)率不變，故C錯(cuò)誤；
D．再充入1mol CO和3mol H₂，可等效為壓強(qiáng)增大，平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)方向移動(dòng)，甲醇的產(chǎn)率增加，故D正確．
故答案為：BD；
⑥由控制變量法可知，探究合成甲醇的溫度和壓強(qiáng)的適宜條件，所以溫度、壓強(qiáng)是變化的，$\frac{n（CO）}{n（{H}_{2}）}$保持不變，均為$\frac{1}{3}$，比較使用ⅰ、ⅱ，壓強(qiáng)不同，所以溫度應(yīng)相同，應(yīng)為150℃，
故答案為：150；$\frac{1}{3}$；$\frac{1}{3}$．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡的計(jì)算，為高頻考點(diǎn)，把握?qǐng)D象分析、速率及K的計(jì)算、平衡移動(dòng)、控制變量法為解答的關(guān)鍵，側(cè)重分析與應(yīng)用能力的考查，綜合性較強(qiáng)，題目難度中等．