Question

甲醇被稱為2l世紀的新型燃料，工業上通過下列反應Ⅰ和Ⅱ，用CH₄和H₂O為原料來制備甲醇：
CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)……Ⅰ   CO(g)+2H₂(g)CH₃OH(g) ……Ⅱ。
（1）將1.0 mol CH₄和2.0 mol H₂O(g)通入容積為100L反應室，在一定條件下發生反應I，CH₄的平衡轉化率與溫度、壓強的關系如圖。

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0.1 MPa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

（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．（見下表，3分）  

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

 
b．（見下圖，2分）

試題分析：（1）①起始時c(CH₄)=1.0mol/100L=0.01mol/L，讀圖可知平衡時CH₄轉化率為0.5，則CH₄的變化濃度為0.01mol/L×0.5=0.005mol/L，根據化學反應速率計算公式可知，v(CH₄)= 0.005mol/L÷5min=0.001mol/(L?min)，根據系數之比等于速率之比可知，v(H₂)="3" v(CH₄)= 0.003mol/(L?min)；②I是氣態物質體積增大的反應，因此增大壓強平衡左移，CH₄轉化率減小，減小壓強平衡右移，CH₄轉化率增大，即壓強越小，CH₄轉化率越大，讀圖可知，200℃、P₁時CH₄轉化率大于200℃、P₂時CH₄轉化率，說明P₁< P₂；在P₁、100℃時，
CH₄(g)+H₂O(g)CO(g)+3H₂(g)
起始濃度/ mol·L^－1      0.01    0.02       0      0
變化濃度/ mol·L^－1     0.005    0.005     0.005  0.015
平衡濃度/ 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是氣態物質體積減小的反應，不符合熵增原理，則正反應符合焓判據，△H<0；正反應是放熱反應，升高溫度平衡左移，甲醇產率減小，故A錯誤；減小生成物濃度，平衡右移，甲醇產率增大，故B正確；充入惰性氣體，雖然增大壓強，但是容器容積不變，各組分濃度不變，平衡不移動，甲醇產率不變，故C錯誤；再充入投料比相同的CO和H₂，就是增大壓強，使平衡右移，甲醇產率增大，故D正確；④a、根據控制變量探究的原則，實驗i和ii的壓強不同，則溫度和投料比一定相同；實驗ii和iii的溫度不同，則投料比和壓強一定相同；由此確定實驗ii的溫度為150℃，投料比為1/3，實驗iii的投料比為1/3；b、畫圖要點：相同溫度下，增大壓強平衡右移，CO轉化率增大，則0.1MPa時CO轉化率隨溫度變化曲線向右適當平移，就變為5MPa時CO轉化率隨溫度變化曲線。