Question

甲醇被称为21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。

(1)将1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O(g)通入反应室(容积为100 L)，在一定条件下发生反应：CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)……Ⅰ，CH₄的转化率与温度、压强的关系如图所示。

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

②图中的p₁________p₂(填“<”“>”或“＝”)，100°C时平衡常数为________。

③在其他条件不变的情况下降低温度，逆反应速率将________(填“增大”“减小”或“不变”)。

(2)在压强为0.1 MPa条件下，a mol CO与3a mol H₂的混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇：CO(g)＋2H₂(g)CH₃OH(g)……Ⅱ。

④该反应的ΔH________0，ΔS________0(填“<”“>”或“＝”)。

⑤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1 mol CO和3 mol H₂

⑥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。请在下表空格中填入剩余的实验条件数据。

实验编号	T(°C)	n(CO)/n(H2)	p(MPa)
ⅰ	150	½	0.1
ⅱ	________	________	5
ⅲ	350	________	5

Answer

(1)①0.0030 mol·L－1·min－1 ②< 2.25×10－4 ③减小 (2)④< < ⑤B、D

⑥

实验编号

T(°C)

n(CO)/n(H2)

p(MPa)

ⅰ

ⅱ

150

1/3

ⅲ

1/3

【解析】(1)在100°C时，CH4的转化率为0.5，则有

CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)

起始： 1.0 mol 2.0 mol 0 0

变化： 0.5 mol 0.5 mol 0.5 mol 1.5 mol

平衡： 0.5 mol 1.5 mol 0.5 mol 1.5 mol

v(H2)＝(1.5 mol/100 L)/5 min＝0.0030 mol/(L·min)。

K＝[c(CO)×c3(H2)]/[c(CH4)×c(H2O)]＝0.005×0.0153/(0.005×0.015)＝2.25×10－4。

在其他条件不变的情况下降低温度，正逆化学反应速率都减小。

(2)④因反应自发进行，故ΔG＝ΔH－TΔS<0，ΔH<0，反应前后分子数减小，故ΔS<0。⑤由于ΔH<0，则升高温度，平衡逆向移动，甲醇产率降低，A不合题意；将CH3OH(g)从体系中分离出来，平衡正向移动，甲醇产率增加，B符合题意；充入He，使体系总压强增大，但各物质的浓度不变，平衡不移动，C不合题意；再充入1 mol CO和3 mol H2，相当于增大反应物浓度，平衡正向移动，D符合题意。⑥显然该同学通过“控制变量法”探究温度、压强对化学平衡的影响，探究的前提只能是改变一个条件，而其他条件不变，故实验ⅱ的温度是150°C，n(CO)/n(H2)＝1/3，同样实验ⅲ中n(CO)/n(H2)＝1/3。