Question

以CH₄和H₂O为原料，通过下列反应来制备甲醇。

I：CH₄(g) + H₂O(g) CO(g) + 3H₂(g)   △H＝+206.0kJ·mol^－1

II：CO(g) + 2H₂(g) CH₃OH(g)       △H＝－129.0kJ·mol^－1

（1）一定温度下，在容积2L且固定的两个密闭容器中，按如下方式加入反应物发生反应I，一段时间后达到平衡。

容  器	甲	乙
反应物投入量	1molCH4、1molH2O	a molCH4、a molH2O、b molCO、c molH2

经测定甲容器经过5min达到平衡，平衡后甲中气体的压强为开始的1.2倍，若要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，且起始时维持化学反应向逆反应方向进行，则b的取值范围为__________。

（2）将1.0molCH₄和2.0molH₂O(g)通入容积为10L的反应室，在一定条件下发生反应I，测得在一定的压强下CH₄的转化率与温度的关系如图。

①假设100 ℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H₂表示该反应的反应速率为______。

②100℃时反应I的平衡常数为____________。

（3）若在恒温恒压容器内进行反应II，下列能说明该反应达到平衡状态的有________（填序号）。

A．有2个H—H键生成的同时有 3个C—H键断裂 

B．CO百分含量保持不变

C．容器中混合气体的压强保持不变

D．容器中混合气体的密度保持不变

（4）在压强为0.1MPa、温度为300℃条件下，将amol CO与3amol H₂的混合气体在催化剂作用下发生反应II生成甲醇，平衡后将容器的容积压缩到原来的l/2，其他条件不变，对平衡体系产生的影响是__________（填序号）。

A．c(H₂) 减少       B．正反应速率加快，逆反应速率减慢

C．n(CH₃OH) 增加   D．减小    E．平衡常数K增大

Answer

0.2＜b≤1 0.03mol·L－1·min－1 2.25×10—2 BD CD

【解析】

(1)设反应的甲烷的物质的量为x，

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

起始（mol）1 1 0 0

反应（mol）x x x 3x

平衡（mol）1-x 1-x x 3x

平衡后甲中气体的压强为开始的1.2倍，即物质的量为开始时的1.2倍，则（1mol-x）+（1mol-x）+x+3x=（1 mol +1 mol）×1.2，解得x=0.2mol；若要使平衡后乙与甲中相同组分的体积分数相等，即甲乙等效，由于该反应前后气体的物质的量不等，在等温等体积时，需要转换到方程式一边，物质的量分别相等，则b的最大值为1mol，起始时要维持化学反应向逆反应方向进行，则b要大于0.2mol，因此0.2＜b≤1，故答案为：0.2＜b≤1；

（2）将1.0mol CH4和2.0mol H2O （ g ）通入容积固定为10L的反应室，在一定条件下发生反应I，由图象可知100℃甲烷转化率为50%，故参加反应的甲烷为1mol×50%=0.5mol，则：

CH4 （g）+H2O （g）CO （g）+3H2 （g）

起始量（mol）：1.0 2.0 0 0

变化量（mol）：0.5 0.5 0.5 1.5

平衡量（mol）：0.5 1.5 0.5 1.5

①假设100℃时达到平衡所需的时间为5min，则用H2表示该反应的平均反应速率==0.03 mol•L-1•min-1，

②100℃时反应I的平衡浓度为c（CH4）=0.05mol/L，c（H2O）=0.15mol/L，c（CO）=0.05mol/L，c（H2）=0.15mol/L，平衡常数K==2.25×10-2；

（3）A、有2个H - H键生成的同时有3个C - H键断裂，只说明逆反应速率，不能说明反应是否达到平衡状态；

B、CO百分含量保持不变，证明各组分不再变化，该反应已经达到了化学平衡状态；

C、该容器为恒温恒压容器，混合气体的压强始终不变，容器中混合气体的压强不变化不能说明反应是否达到了平衡状态；

D、该反应的正反应是气体分子数减小的反应，在恒温恒压容器中建立平衡时气体体积减小，混合气体质量守恒，混合气体密度增大，所以容器中混合气体的密度保持不变说明达到平衡状态；

答案选BD；

（4）A．平衡后将容器的容积压缩到原来的，压强增大，平衡向正反应方向移动，生成物的浓度增大，由于平衡常数不变，结合平衡常数可知，平衡时反应物各组分的浓度都增大，选项A错误；

B．压强增大，正、逆反应速率都增大，但正反应速率增大更多，选项B错误；

C．压强增大，平衡向正反应方向移动，CH3OH 的物质的量增加，选项C正确；

D．压强增大，平衡向正反应方向移动，氢气的物质的量减小、甲醇的物质的量增大，故重新平衡减小，选项D正确；

E．平衡常数只受温度影响，温度不变，平衡常数不变，选项E错误。

答案选CD。