Question

甲醇被稱為21世紀(jì)的新型燃料，工業(yè)上通過下列反應(yīng)Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O為原料來制備甲醇。
(1)將1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O(g)通入反應(yīng)室(容積為100 L)，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)：CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)……Ⅰ，CH₄的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖所示。

①已知100°C時(shí)達(dá)到平衡所需的時(shí)間為5 min，則用H₂表示的平均反應(yīng)速率為________。
②圖中的p₁________p₂(填“<”“>”或“＝”)，100°C時(shí)平衡常數(shù)為________。
③在其他條件不變的情況下降低溫度，逆反應(yīng)速率將________(填“增大”“減小”或“不變”)。
(2)在壓強(qiáng)為0.1 MPa條件下，a mol CO與3a mol H₂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ΔH________0，ΔS________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________。
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1 mol CO和3 mol H₂
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?jiān)谙卤砜崭裰刑钊胧Ｓ嗟膶?shí)驗(yàn)條件數(shù)據(jù)。

實(shí)驗(yàn)編號	T(°C)	n(CO)/n(H2)	p(MPa)
ⅰ	150	½	0.1
ⅱ	________	________	5
ⅲ	350	________	5

 

Answer 1

(1)①0.0030 mol·L^－1·min^－1　②<　2.25×10^－4　③減小　(2)④<　<　⑤B、D
⑥

實(shí)驗(yàn)編號	T(°C)	n(CO)/n(H2)	p(MPa)
ⅰ
ⅱ	150	1/3
ⅲ		1/3

 

(1)在100°C時(shí)，CH₄的轉(zhuǎn)化率為0.5，則有
　　　CH₄(g)＋H₂O(g)CO(g)＋3H₂(g)
起始：  1.0 mol  2.0 mol  0  0
變化：  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。
在其他條件不變的情況下降低溫度，正逆化學(xué)反應(yīng)速率都減小。
(2)④因反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故ΔG＝ΔH－TΔS<0，ΔH<0，反應(yīng)前后分子數(shù)減小，故ΔS<0。⑤由于ΔH<0，則升高溫度，平衡逆向移動，甲醇產(chǎn)率降低，A不合題意；將CH₃OH(g)從體系中分離出來，平衡正向移動，甲醇產(chǎn)率增加，B符合題意；充入He，使體系總壓強(qiáng)增大，但各物質(zhì)的濃度不變，平衡不移動，C不合題意；再充入1 mol CO和3 mol H₂，相當(dāng)于增大反應(yīng)物濃度，平衡正向移動，D符合題意。⑥顯然該同學(xué)通過“控制變量法”探究溫度、壓強(qiáng)對化學(xué)平衡的影響，探究的前提只能是改變一個(gè)條件，而其他條件不變，故實(shí)驗(yàn)ⅱ的溫度是150°C，n(CO)/n(H₂)＝1/3，同樣實(shí)驗(yàn)ⅲ中n(CO)/n(H₂)＝1/3。