Question

甲醇被稱為21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。

(1)將1.0 mol CH4和2.0 mol H2O(g)通入反應室(容積為100 L)，在一定條件下發生反應：CH4(g)＋H2O(g)CO(g)＋3H2(g)……Ⅰ，CH4的轉化率與溫度、壓強的關系如圖所示。

 

①已知100°C時達到平衡所需的時間為5 min，則用H2表示的平均反應速率為________。

②圖中的p1________p2(填“<”“>”或“＝”)，100°C時平衡常數為________。

③在其他條件不變的情況下降低溫度，逆反應速率將________(填“增大”“減小”或“不變”)。

(2)在壓強為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反應生成甲醇：CO(g)＋2H2(g)CH3OH(g)……Ⅱ。

④該反應的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1 mol CO和3 mol H2

⑥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。請在下表空格中填入剩余的實驗條件數據。

實驗編號	T(°C)	n(CO)/n(H2)	p(MPa)
ⅰ	150	?	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

實驗編號	T(°C)	n(CO)/n(H2)	p(MPa)
ⅰ
ⅱ	150	1/3
ⅲ		1/3

 

【解析】(1)在100°C時，CH4的轉化率為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，正逆化學反應速率都減小。

(2)④因反應自發進行，故ΔG＝ΔH－TΔS<0，ΔH<0，反應前后分子數減小，故ΔS<0。⑤由于ΔH<0，則升高溫度，平衡逆向移動，甲醇產率降低，A不合題意；將CH3OH(g)從體系中分離出來，平衡正向移動，甲醇產率增加，B符合題意；充入He，使體系總壓強增大，但各物質的濃度不變，平衡不移動，C不合題意；再充入1 mol CO和3 mol H2，相當于增大反應物濃度，平衡正向移動，D符合題意。⑥顯然該同學通過“控制變量法”探究溫度、壓強對化學平衡的影響，探究的前提只能是改變一個條件，而其他條件不變，故實驗ⅱ的溫度是150°C，n(CO)/n(H2)＝1/3，同樣實驗ⅲ中n(CO)/n(H2)＝1/3。