Question

【題目】(1)以甲醇為原料制取高純H2具有重要的應(yīng)用價(jià)值。甲醇水蒸氣重整制氫主要發(fā)生以下兩個反應(yīng)：

主反應(yīng)： H=+49kJmol-1

副反應(yīng)： H=+41kJmol-1

①甲醇蒸氣在催化劑作用下裂解可得到H2和CO，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為_________________，既能加快反應(yīng)速率又能提高CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的一種措施是______________。

②分析適當(dāng)增大水醇比對甲醇水蒸氣重整制氫的好處是__________。

③某溫度下，將n(H2O)：n(CH3OH)=1：1的原料氣充入恒容密閉容器中，初始壓強(qiáng)為P1，反應(yīng)達(dá)平衡時總壓強(qiáng)為P2，則平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為________________(忽略副反應(yīng)，用含P1、P2的式子表示)。

(2)工業(yè)上用CH4與水蒸氣在一定條件下制取H2，原理為： H=+203kJmol-1

①該反應(yīng)逆反應(yīng)速率表達(dá)式為：v逆=k·c(CO)·c3(H2)，k為速率常數(shù)，在某溫度下測得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如下表：

c(CO)/mol·L－1	c(H2)/mol·L－1	v逆/mol·L－1·min－1
0.05	c1	4.8
c2	c1	19.2
c2	0.15	8.1

由上述數(shù)據(jù)可得該溫度下，該反應(yīng)的逆反應(yīng)速率常數(shù)k為_________L3·mol－3·min－1。

②在體積為3L的密閉容器中通入物質(zhì)的量均為3mol的CH4和水蒸氣，在一定條件下發(fā)生上述反應(yīng)，測得平衡時H2的體積分?jǐn)?shù)與溫度關(guān)系如圖所示：N點(diǎn)v正____________M點(diǎn)v逆(填“大于”或“小于”)；Q點(diǎn)對應(yīng)溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=_______________mol2·L－2。平衡后再向容器中加入1molCH4和1molCO，平衡向_____________方向移動(填“正反應(yīng)”或“逆反應(yīng)”)。

Answer 1

【答案】 H =+90 kJ·mol－1 升溫 提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成或抑制副反應(yīng)發(fā)生 1.2×104 小于 48 正反應(yīng)

【解析】

利用已知的兩個反應(yīng)，依據(jù)蓋斯定律，可求出甲醇蒸氣在催化劑作用下裂解生成H2和CO的熱化學(xué)方程式；分析濃度變化對熱化學(xué)方程式 H =+90 kJ·mol－1的速率和CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的影響，從而確定改變的反應(yīng)條件；適當(dāng)增大水醇比，即考慮主反應(yīng)的的產(chǎn)率，又考慮對副反應(yīng)產(chǎn)物的影響，從而得出這樣操作的好處；利用n(H2O)：n(CH3OH)=1：1，建立三段式，求出甲醇的物質(zhì)的量的變化量，從而平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率。利用表中數(shù)據(jù)及公式v逆=k·c(CO)·c3(H2)求出c2，再代入公式求出k。利用已知條件“在體積為3L的密閉容器中通入物質(zhì)的量均為3mol的CH4和水蒸氣”，建立三段式，利用H2的平衡體積分?jǐn)?shù)為60%，求出CH4的物質(zhì)的量濃度，從而求出Q點(diǎn)對應(yīng)溫度下該反應(yīng)的平衡常數(shù)K；平衡后再向容器中加入1molCH4和1molCO，求出濃度商，與平衡常數(shù)進(jìn)行比較，從而確定平衡移動的方向。

。

(1)主反應(yīng)： H=+49kJmol- ①

副反應(yīng)： H=+41kJmol-1 ②

①利用蓋斯定律，將①+②得：甲醇蒸氣在催化劑作用下裂解可得到H2和CO，則該反應(yīng)的熱化學(xué)方程式為 H =+90 kJ·mol－1，加快反應(yīng)速率需增大濃度、壓強(qiáng)、升高溫度、加入催化劑等，但增大濃度、壓強(qiáng)、加入催化劑都不能提高CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率，所以既能加快反應(yīng)速率又能提高CH3OH平衡轉(zhuǎn)化率的一種措施是升溫。答案為： H =+90 kJ·mol－1；升溫；

②適當(dāng)增大水醇比，可增加主反應(yīng)中CH3OH的平衡轉(zhuǎn)化率，同時對副反應(yīng)起抑制作用，所以對甲醇水蒸氣重整制氫的好處是提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成或抑制副反應(yīng)發(fā)生。答案為：提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成或抑制副反應(yīng)發(fā)生；

③某溫度下，將n(H2O)：n(CH3OH)=1：1的原料氣充入恒容密閉容器中，此時設(shè)n(H2O)=n(CH3OH)=1mol，甲醇的物質(zhì)的量的變化量為x，建立以下三段式：

，x=mol，則平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為=。答案為：；

(2)①依據(jù)v逆可得：c2=0.2mol/L，8.1= k×0.2×0.153，k=1.2×104L3·mol－3·min－1。答案為：1.2×104；

②從圖中可以看出，M點(diǎn)時溫度高于N點(diǎn)，所以N點(diǎn)v正小于M點(diǎn)v逆；Q點(diǎn)對應(yīng)溫度為T3，此時H2的平衡體積分?jǐn)?shù)為60%，設(shè)參加反應(yīng)的CH4的物質(zhì)的量濃度為y，由題給數(shù)據(jù)可建立以下三段式：

，y=mol/L，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K=mol2·L－2=48mol2·L－2。平衡后再向容器中加入1molCH4和1molCO，此時濃度商Q=mol2·L－2=36 mol2·L－2<48 mol2·L－2，所以平衡向正反應(yīng)方向移動。答案為：小于；48；正反應(yīng)。