Question

二甲醚和甲醇被稱為21世紀(jì)的新型燃料，以CH₄和H₂O為原料制備二甲醚和甲醇的工業(yè)流程如圖1：

I：（1）在一定條件下，容積為 100L密閉容器中發(fā)生反應(yīng)：CH₄（g）+H₂O（g）?CO（g）+3H₂（g）；△H＞0
將1.0mol CH₄和2.0mol H₂O（g）通入該密閉容器 l0min時(shí)有0.1mol CO生成，則10min內(nèi)該反應(yīng)的平均速率v（H₂）

0.0003mo1?L^-1?min^-1

．
（2）在壓強(qiáng)為0.1MPa條件下，容積為V L某密閉容器中a mol CO與 2a mol H₂在催化劑作用下反應(yīng)生成甲醇：CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g）平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強(qiáng)的關(guān)系如圖2．
①該反應(yīng)的△H

＜

0 （填“＜”、“＞”或“=”）．
②100℃時(shí)該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=

V2

a2

（用含a、V的代數(shù)式表示）．
③在溫度容積不變的情況下，向該密閉容器再增加a mol CO與 2a mol H₂，達(dá)到新平衡時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率

增大

（填“增大”、“減小”或“不變”）．平衡常數(shù)

不變

（填“增大”、“減小”或“不變”）
④在某溫度下，向一個(gè)容積不變的密閉容器中通入2.5mol CO和7.5mol H₂反應(yīng)生成CH₃OH（g），達(dá)到平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為90%，此時(shí)容器內(nèi)的壓強(qiáng)為開(kāi)始時(shí)的

0.55

倍．
II：某溫度下，向密閉容器中充入2.0mol CO和1.0mol H₂O，發(fā)生反應(yīng)：
CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）．CO的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間變化關(guān)系如圖2，回答下列問(wèn)題：
（1）如果一個(gè)可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)K值很大，下列說(shuō)法正確的是

C

（填字母）．
A．該反應(yīng)的反應(yīng)物混合后很不穩(wěn)定
B．該反應(yīng)一旦發(fā)生將在很短的時(shí)間內(nèi)完成
C．該反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)至少有一種反應(yīng)物的百分含量很小
D．該反應(yīng)一定是放熱反應(yīng)   E．該反應(yīng)使用催化劑意義不大
（2）t₂時(shí)刻向平衡體系中再通入1.0mol H₂O（g），請(qǐng)?jiān)谠�坐�?biāo)圖3中將改變這一條件后CO的轉(zhuǎn)化率的變化結(jié)果表示出來(lái)．

Answer 1

分析：Ⅰ：（1）根據(jù)v=

△c

△t

計(jì)算出v（CO），再根據(jù)速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比計(jì)算v（H₂）；
（2）①依據(jù)圖象分析，隨溫度升高，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率減小，結(jié)合平衡移動(dòng)原理分析；
②利用三段式求出CO與H₂在催化劑作用下反應(yīng)生成甲醇的平衡時(shí)反應(yīng)混合物各組分的濃度，代入平衡常數(shù)k=

c(CH3OH)

c(CO)c2(H2)

計(jì)算得到；
③恒溫恒容下，增加amolCO與2amolH₂，CO與H₂的比例與原平衡相同，等效為增大壓強(qiáng)，平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)移動(dòng)；平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變．
④依據(jù)化學(xué)三段式列式計(jì)算，氣體壓強(qiáng)之比為氣體物質(zhì)的量之比；
Ⅱ：（1）可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)越大，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度越大，不能說(shuō)明反應(yīng)速率快慢、不能說(shuō)明該反應(yīng)在通常條件下一定可以發(fā)生；
（2）依據(jù)加入水后一氧化碳的轉(zhuǎn)化率增大，依據(jù)平衡常數(shù)計(jì)算平衡后的一氧化碳轉(zhuǎn)化率畫(huà)出圖象．

解答：解：I：（1）v（CO）=

0.1mol 100L

10min

=0.0001mol?L^-1?min^-1，速率之比等于化學(xué)計(jì)量數(shù)之比，所以v（H₂）=3v（CO）=3×0.0001mol?L^-1?min^-1=0.0003mol?L^-1?min^-1，
故答案為：0.0003 mo1?L^-1?min^-1；
（2）①圖②中圖象分析可知，隨溫度升高，一氧化碳的轉(zhuǎn)化率減小，證明平衡逆向進(jìn)行，說(shuō)明正反應(yīng)為放熱反應(yīng)△H＜0，故答案為：＜；  
②利用三段式求出CO與H₂在催化劑作用下反應(yīng)生成甲醇的平衡時(shí)反應(yīng)混合物各組分的濃度，由圖可知100℃時(shí)，達(dá)到平衡時(shí)，CO的轉(zhuǎn)化率為0.5，則    
                CO（g）+2H₂（g） CH₃OH（g）
起始量（mol/L） 

a

V

      

2a

V

              0
變化量（mol/L） 

0.5a

V

    

a

V

            

0.5a

V

  
平衡量（mol/L） 

0.5a

V

    

a

V

            

0.5a

V

平衡常數(shù)K=

c(CH3OH)

c(CO)c2(H2)

=

0.5a V

0.5a V ×( a V )2

=

V2

a2

；
故答案為：

V2

a2

；
③恒溫恒容下，增加amolCO與2amolH₂，CO與H₂的比例與原平衡相同，等效為增大壓強(qiáng)，平衡向體積減小的方向移動(dòng)，即向正反應(yīng)移動(dòng)，CO的轉(zhuǎn)化率增大；平衡常數(shù)只受溫度影響，溫度不變，平衡常數(shù)不變，故答案為：增大；不變；
④在某溫度下，向一個(gè)容積不變的密閉容器中通入2.5mol CO和7.5mol H₂反應(yīng)生成CH₃OH（g），達(dá)到平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為90%；CO（g）+2H₂（g）?CH₃OH（g），依據(jù)反應(yīng)前后氣體物質(zhì)的量的減少是反應(yīng)的氫氣物質(zhì)的量，反應(yīng)前物質(zhì)的量之和為10mol，達(dá)到平衡時(shí)CO的轉(zhuǎn)化率為90%，反應(yīng)的氫氣為4.5mol，反應(yīng)后氣體物質(zhì)的量之和為2.5mol+7.5mol-4.5mol=5.5mol，相同條件下氣體壓強(qiáng)之比等于物質(zhì)的量之比，容器內(nèi)的壓強(qiáng)為開(kāi)始時(shí)0.55倍，
故答案為：0.55；
Ⅱ：（1）A．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，不能說(shuō)明該反應(yīng)在通常條件下一定可以發(fā)生，該反應(yīng)的反應(yīng)物混合后可能穩(wěn)定共存，故A錯(cuò)誤；
B．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，不能說(shuō)明該條件下反應(yīng)速率很快，故B錯(cuò)誤；
C．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，反應(yīng)達(dá)平衡時(shí)至少有一種反應(yīng)物的百分含量很小，故C正確；
D、可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，但反應(yīng)不一定是放熱反應(yīng)，故D錯(cuò)誤；
E．可逆反應(yīng)的平衡常數(shù)很大，說(shuō)明反應(yīng)進(jìn)行的程度很大，不能說(shuō)明該反應(yīng)在通常條件下一定可以發(fā)生，該反應(yīng)可能需要催化劑才可以進(jìn)行，故E錯(cuò)誤；
故選C．
（2）t₂時(shí)刻平衡轉(zhuǎn)化率為33.3%，依據(jù)平衡三段式列式計(jì)算，轉(zhuǎn)化率為33.3%=

1

3

設(shè)體積為1L，計(jì)算平衡濃度，得到平衡常數(shù)；
                CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L）   2      1        0       0
變化量（mol/L） 

2

3

      

2

3

       

2

3

      

2

3

平衡量（mol/L）  

4

3

       

1

3

        

2

3

      

2

3

K=

2 3 × 2 3

4 3 × 1 3

=1
加入1mol水，設(shè)一氧化碳轉(zhuǎn)化x          
              CO（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+H₂（g）
起始量（mol/L）  

4

3

     1+

1

3

   

2

3

      

2

3

轉(zhuǎn)化量（mol/L）  x       x      x        x
平衡量（mol/L）

4

3

-x   

4

3

-x    

2

3

+x    

2

3

+x
依據(jù)平衡常數(shù)不變計(jì)算得到x=

1

3

所以從開(kāi)始到新平衡一氧化碳轉(zhuǎn)化了

2

3

+

1

3

=1，一氧化碳轉(zhuǎn)化率為50%；向平衡體系中再通入1.0mol H₂O（g），依據(jù)平衡分析一氧化碳轉(zhuǎn)化率最大為50%，圖象為，故答案為：．

點(diǎn)評(píng)：本題考查化學(xué)平衡影響因素分析判斷，平衡常數(shù)、反應(yīng)速率計(jì)算應(yīng)用，平衡常數(shù)隨溫度變化，圖象分析判斷是解題關(guān)鍵，題目難度中等．