Question

甲醇被稱為2l世紀的新型燃料，工業(yè)上通過下列反應Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O為原料來制備甲醇：
CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）…ⅠCO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g） …Ⅱ．

（1）將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入容積為100L反應室，在一定條件下發(fā)生反應Ⅰ，CH₄的平衡轉化率與溫度、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

 

．
②圖中的P₁

 

P₂（填“＜”、“＞”或“=”），100℃時平衡常數的值為

 

．
（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，自發(fā)反應Ⅱ，生成甲醇．
③該反應的△H

 

0；若容器容積不變，下列措施可增加甲醇產率的是

 

．
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）
i	150	1 3	0.1
ii			5
iii	350		5

a．請在上表空格中填入剩余的實驗條件數據．
b．根據反應ii的特點，在給出的坐標圖2中，補畫出在5MPa條件下CO的轉化率隨溫度變化的趨勢曲線示意圖，并標明壓強．

Answer 1

考點：化學平衡的計算,化學平衡的影響因素,轉化率隨溫度、壓強的變化曲線

專題：化學平衡專題

分析：（1）由100℃平衡CH₄的轉化率為0.5可知，消耗CH₄0.5mol，計算CH₄的濃度變化量，再根據v=

△c

△t

計算v（CH₄），利用三段式計算平衡時各組分的平衡濃度，
①根據v=

△c

△t

計算v（H₂）；
②采取控制變量法分析，反應為氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向體積減小的方向移動，根據甲烷的轉化率判斷；將平衡時各組分的平衡濃度代入平衡常數表達式計算；
（2）③由圖2可知，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應；增加甲醇產率，應改變條件使平衡向正反應方向移動，根據平衡移動原理分析解答；
④a、該同學通過“控制變量法”探究外界條件對化學平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，據此解答；
b、反應ii與反應i相比，ii中壓強增大，平衡向正反應方向移動，相同溫度下，CO的轉化率增大，據此作圖．

解答： 解：（1）由100℃平衡CH₄的轉化率為0.5可知，消耗CH₄為1mol×0.5=0.5mol，平衡時甲烷的濃度變化量為

0.5mol

100L

=5×10^-3mol/L，則：
               CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）
開始（mol/L）：0.01     0.02     0       0
變化（mol/L）：0.005    0.005    0.005   0.015
平衡（mol/L）：0.005    0.015    0.005    0.015
①v（H₂）=

0.015mol/L

3min

=0.003mol/（L?min），故答案為：0.003mol/（L?min）；
②由圖可知溫度相同時，到達平衡時，壓強為P₁的CH₄轉化率高，正反應為氣體體積增大的反應，增大壓強平衡向逆反應方向移動，甲烷的轉化率降低，故壓強P₁＜P₂；100℃時平衡常數=

0.0153×0.005

0.005×0.015

=2.25×10^-4，
故答案為：＜；2.25×10^-4；
（2）③由圖2可知，溫度越高CO的轉化率越小，說明升高溫度平衡向逆反應方向移動，則正反應為放熱反應，即△H＜0；
增加甲醇產率，應改變條件使平衡向正反應方向移動，
A．正反應為放熱反應，升高溫度，平衡向逆反應方向移動，甲醇的產率減小，故A錯誤；
B．將CH₃OH（g）從體系中分離，降低生成物的濃度，平衡向正反應方向移動，甲醇的產率增大，故B正確；
C．充入He，使體系總壓強增大，容器的容積不變，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，可以等效為增大壓強，平衡向體積減小的正反應方向移動，甲醇的產率增大，故D正確，
故答案為：＜；BD；
④a、通過“控制變量法”探究外界條件對化學平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其它條件不變，由此可得：ii中溫度為150℃，n （CO）/n（H₂）為

1

3

，iii中n （CO）/n（H₂）為

1

3

，
故答案為：

實驗編號	T（℃）	n（CO）/n（H2）	P（Mpa）
i
ii	150	1 3
iii		1 3

；
b、反應ii與反應i相比，ii中壓強增大，平衡向正反應方向移動，相同溫度下，CO的轉化率增大，故在5MPa條件下CO的轉化率隨溫度變化的趨勢曲線示意圖為：，
故答案為：．

點評：本題考查化學平衡圖象、反應速率計算、化學平衡常數的有關計算、化學平衡的影響因素等，難度中等，（2）中注意通過“控制變量法”探究外界條件對化學平衡的影響．