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5.甲醇被称为2l世纪的新型燃料,工业上通过下列反应Ⅰ和Ⅱ,用CH4和H2O为原料来制备甲醇.
(1)将1.0mol CH4和2.0mol H2O(g)通入容积为10L的反应室,在一定条件下发生反应Ⅰ:CH4(g)+H2O(g)?CO(g)+3H2(g),CH4的转化率与温度、压强的关系如图:
①已知100℃时达到平衡所需的时间为5min,则用H2表示的平均反应速率为0.030mol•L-1•min-1
②在其它条件不变的情况下升高温度,化学平衡常数将增大(填“增大”“减小”或“不变”).
③图中的P1<P2(填“<”、“>”或“=”),100℃时平衡常数为2.25×10-2
④保持反应体系为100℃,5min后再向容器中冲入H2O、H2各0.5mol,化学平衡将向向左移动(填“向左”“向右”或“不”).
(2)在压强为0.1MPa条件下,将a mol CO与 3a mol H2的混合气体在催化剂作用下能自发发生反应Ⅱ:
CO(g)+2H2(g)?CH3OH(g)
①该反应的△H<0,△S<0(填“<”、“>”或“=”).
②若容器容积不变,下列措施可以提高CO转化率的是BD.
A.升高温度
B.将CH3OH(g)从体系中分离出来
C.充入He,使体系总压强增大
D.再充入1mol CO和3mol H2

分析 (1)①根据图知道平衡时甲烷的转化率,求出△c(CH4),根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v(CH4),利用速率之比等于化学计量数之比计算v(H2);
②转化率与温度、压强图象有三个变量,应“定一议二”;
③根据定一议二原则,定温度同,再比较压强,即作垂直x轴的辅助线,比较平衡时甲烷的转化率,由此判断;平衡常数k=$\frac{c(CO)×{c}^{3}({H}_{2})}{c(C{H}_{4})•c({H}_{2}O)}$,计算出平衡时各组分的浓度,代入平衡常数表达式计算;
④保持反应体系为100℃,5min后再向容器中冲入H2O、H2各0.5mol,根据浓度商与平衡常数的相对大小的判断;
(2)①混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇,则说明正反应是放热反应,正反应是气体物质的量减小的反应;
②容器容积不变,增加甲醇产率,平衡向正反应移动,根据外界条件对平衡的影响分析.

解答 解:(1)①由100℃平衡CH4的转化率为0.5可知,消耗CH4为1mol×0.5=0.5mol,平衡时甲烷的浓度变化量为:$\frac{0.5}{10}$=5×10-2mol/L,根据甲烷与氢气的计量数关系,则:v(H2)=3v(CH4)=3×$\frac{5×1{0}^{-2}}{5min}$=0.030mol•L-1•min-1
故答案为:0.030mol•L-1•min-1
②通过图表可知当温度相同时,p2→p1时,甲烷的转化率提高,平衡向正向移动,正向为气体系数增大的反应,根据减小压强平衡向系数增大的方向移动可得出p1<p2;当压强为p1时,升高温度,甲烷的转化率提高,平衡向正向移动,所以正向为吸热反应,所以升高温度平衡常数变大,故答案为:增大;
③由图可知温度相同时,到达平衡时,压强为P1的CH4转化率高,正反应为气体体积增大的反应,增大压强平衡向逆反应方向移动,甲烷的转化率降低,故压强P1<P2
             CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g)
初始浓度:0.1        0.2           0            0
变化浓度:0.05      0.05        0.05     0.15
平衡浓度:0.05      0.15        0.05     0.15
100℃时平衡常数=$\frac{0.05×(0.15)^{3}}{0.05×0.15}$(mol/L)2=2.25×10-2 (mol/L)2
故答案为:<;2.25×10-2
④保持反应体系为100℃,5min后再向容器中冲入H2O、H2各0.5mol,Qc=$\frac{0.05×(0.2)^{3}}{0.05×0.2}$=4×10-2>K,所以平衡向左移动,故答案为:向左;
(2)①混合气体在催化剂作用下能自发反应生成甲醇,则说明正反应是放热反应,所以△H<0;正反应是气体物质的量减小的反应,气体的物质的量越多,其熵越大,所以△S<0,故答案为:<;<;
②A.该反应为放热反应,升高温度,平衡向吸热方向移动,即向逆反应方向移动,甲醇的产率降低,故A错误;
B.将CH3OH(g)从体系中分离,产物的浓度降低,平衡向正反应移动,甲醇的产率增加,故B正确;
C.充入He,使体系总压强增大,容器容积不变,反应混合物各组分浓度不变,平衡不移动,甲醇的产率不变,故C错误;
D.再充入1mol CO和3mol H2,可等效为压强增大,平衡向体积减小的方向移动,即向正反应方向移动,甲醇的产率增加,故D正确,
故答案为:BD.

点评 本题考查化学平衡计算、化学反应速率、平衡常数、化学平衡的影响因素及等,难度中等,注意控制变量法与定一议二原则应用.

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