Question

甲醇被称为2l世纪的新型燃料，工业上通过下列反应Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O为原料来制备甲醇：

 CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)……Ⅰ   CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g) ……Ⅱ。

（1）将1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O(g)通入容积为100L反应室，在一定条件下发生反应I，CH₄的平衡转化率与温度、压强的关系如图。

①已知100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示的平均反应速率为            。

②图中的P₁     P₂（填“<”、“>”或“=”），100℃时平衡常数的值为            。

（2）在压强为0.1 MPa条件下, 将a mol CO与 3a mol H₂的混合气体在催化剂作用下，自发反应Ⅱ，生成甲醇。

③该反应的△H     0；若容器容积不变，下列措施可增加甲醇产率的是      。

A．升高温度                       B．将CH₃OH(g)从体系中分离

C．充入He，使体系总压强增大      D．再充入1mol CO和3mol H₂

④为了寻找合成甲醇的温度和压强的适宜条件，某同学设计了三组实验，部分实验条件已经填在下面实验设计表中。

实验编号	T(℃)	n(CO)/n(H2)	P（Mpa）
i	150	1/3	0.1
ii			5
iii	350		5

a．请在上表空格中填入剩余的实验条件数据。

b．根据反应Ⅱ的特点，在给出的坐标图中，补画出在5MPa条件下CO的转化率随温度变化的趋势曲线示意图，并标明压强。

Answer

（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．（见下表，3分）  

实验编号

T（℃）

n（CO）/n（H2）

P（Mpa）

i

ii

150

1/3

iii

1/3

b．（见下图，2分）

【解析】

试题分析：（1）①起始时c(CH4)=1.0mol/100L=0.01mol/L，读图可知平衡时CH4转化率为0.5，则CH4的变化浓度为0.01mol/L×0.5=0.005mol/L，根据化学反应速率计算公式可知，v(CH4)= 0.005mol/L÷5min=0.001mol/(L•min)，根据系数之比等于速率之比可知，v(H2)=3 v(CH4)= 0.003mol/(L•min)；②I是气态物质体积增大的反应，因此增大压强平衡左移，CH4转化率减小，减小压强平衡右移，CH4转化率增大，即压强越小，CH4转化率越大，读图可知，200℃、P1时CH4转化率大于200℃、P2时CH4转化率，说明P1< P2；在P1、100℃时，

                      CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

起始浓度/ mol·L－1      0.01    0.02       0      0

变化浓度/ mol·L－1     0.005    0.005     0.005  0.015

平衡浓度/ 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是气态物质体积减小的反应，不符合熵增原理，则正反应符合焓判据，△H<0；正反应是放热反应，升高温度平衡左移，甲醇产率减小，故A错误；减小生成物浓度，平衡右移，甲醇产率增大，故B正确；充入惰性气体，虽然增大压强，但是容器容积不变，各组分浓度不变，平衡不移动，甲醇产率不变，故C错误；再充入投料比相同的CO和H2，就是增大压强，使平衡右移，甲醇产率增大，故D正确；④a、根据控制变量探究的原则，实验i和ii的压强不同，则温度和投料比一定相同；实验ii和iii的温度不同，则投料比和压强一定相同；由此确定实验ii的温度为150℃，投料比为1/3，实验iii的投料比为1/3；b、画图要点：相同温度下，增大压强平衡右移，CO转化率增大，则0.1MPa时CO转化率随温度变化曲线向右适当平移，就变为5MPa时CO转化率随温度变化曲线。

考点：考查化学反应原理，涉及化学反应速率的计算、压强对化学平衡的影响、化学平衡常数的计算、反应热的正负、提高产率的措施、探究实验方案的设计、画图等常见考查方式。