Question

【題目】以CH4和H2O為原料，通過下列反應(yīng)來制備甲醇。

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）一定溫度下，在容積2L且固定的兩個密閉容器中，按如下方式加入反應(yīng)物發(fā)生反應(yīng)I，一段時間后達(dá)到平衡。

容 器	甲	乙
反應(yīng)物投入量	1molCH4、1molH2O	a molCH4、a molH2O、b molCO、c molH2

經(jīng)測定甲容器經(jīng)過5min達(dá)到平衡，平衡后甲中氣體的壓強(qiáng)為開始的1.2倍，若要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，且起始時維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，則b的取值范圍為__________。

（2）將1.0molCH4和2.0molH2O(g)通入容積為10L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，測得在一定的壓強(qiáng)下CH4的轉(zhuǎn)化率與溫度的關(guān)系如圖。

①假設(shè)100 ℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H2表示該反應(yīng)的反應(yīng)速率為______。

②100℃時反應(yīng)I的平衡常數(shù)為____________。

（3）若在恒溫恒壓容器內(nèi)進(jìn)行反應(yīng)II，下列能說明該反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)的有________（填序號）。

A．有2個H—H鍵生成的同時有 3個C—H鍵斷裂

B．CO百分含量保持不變

C．容器中混合氣體的壓強(qiáng)保持不變

D．容器中混合氣體的密度保持不變

（4）在壓強(qiáng)為0.1MPa、溫度為300℃條件下，將amol CO與3amol H2的混合氣體在催化劑作用下發(fā)生反應(yīng)II生成甲醇，平衡后將容器的容積壓縮到原來的l/2，其他條件不變，對平衡體系產(chǎn)生的影響是__________（填序號）。

A．c(H2) 減少 B．正反應(yīng)速率加快，逆反應(yīng)速率減慢

C．n(CH3OH) 增加 D．減小 E．平衡常數(shù)K增大

Answer 1

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

【解析】

(1)設(shè)反應(yīng)的甲烷的物質(zhì)的量為x，

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

起始（mol）1 1 0 0

反應(yīng)（mol）x x x 3x

平衡（mol）1-x 1-x x 3x

平衡后甲中氣體的壓強(qiáng)為開始的1.2倍，即物質(zhì)的量為開始時的1.2倍，則（1mol-x）+（1mol-x）+x+3x=（1 mol +1 mol）×1.2，解得x=0.2mol；若要使平衡后乙與甲中相同組分的體積分?jǐn)?shù)相等，即甲乙等效，由于該反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量不等，在等溫等體積時，需要轉(zhuǎn)換到方程式一邊，物質(zhì)的量分別相等，則b的最大值為1mol，起始時要維持化學(xué)反應(yīng)向逆反應(yīng)方向進(jìn)行，則b要大于0.2mol，因此0.2＜b≤1，故答案為：0.2＜b≤1；

（2）將1.0mol CH4和2.0mol H2O （ g ）通入容積固定為10L的反應(yīng)室，在一定條件下發(fā)生反應(yīng)I，由圖象可知100℃甲烷轉(zhuǎn)化率為50%，故參加反應(yīng)的甲烷為1mol×50%=0.5mol，則：

CH4 （g）+H2O （g）CO （g）+3H2 （g）

起始量（mol）：1.0 2.0 0 0

變化量（mol）：0.5 0.5 0.5 1.5

平衡量（mol）：0.5 1.5 0.5 1.5

①假設(shè)100℃時達(dá)到平衡所需的時間為5min，則用H2表示該反應(yīng)的平均反應(yīng)速率==0.03 molL-1min-1，

②100℃時反應(yīng)I的平衡濃度為c（CH4）=0.05mol/L，c（H2O）=0.15mol/L，c（CO）=0.05mol/L，c（H2）=0.15mol/L，平衡常數(shù)K==2.25×10-2；

（3）A、有2個H - H鍵生成的同時有3個C - H鍵斷裂，只說明逆反應(yīng)速率，不能說明反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)；

B、CO百分含量保持不變，證明各組分不再變化，該反應(yīng)已經(jīng)達(dá)到了化學(xué)平衡狀態(tài)；

C、該容器為恒溫恒壓容器，混合氣體的壓強(qiáng)始終不變，容器中混合氣體的壓強(qiáng)不變化不能說明反應(yīng)是否達(dá)到了平衡狀態(tài)；

D、該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體分子數(shù)減小的反應(yīng)，在恒溫恒壓容器中建立平衡時氣體體積減小，混合氣體質(zhì)量守恒，混合氣體密度增大，所以容器中混合氣體的密度保持不變說明達(dá)到平衡狀態(tài)；

答案選BD；

（4）A．平衡后將容器的容積壓縮到原來的，壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，生成物的濃度增大，由于平衡常數(shù)不變，結(jié)合平衡常數(shù)可知，平衡時反應(yīng)物各組分的濃度都增大，選項A錯誤；

B．壓強(qiáng)增大，正、逆反應(yīng)速率都增大，但正反應(yīng)速率增大更多，選項B錯誤；

C．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，CH3OH 的物質(zhì)的量增加，選項C正確；

D．壓強(qiáng)增大，平衡向正反應(yīng)方向移動，氫氣的物質(zhì)的量減小、甲醇的物質(zhì)的量增大，故重新平衡減小，選項D正確；

E．平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變，選項E錯誤。

答案選CD。