Question

【題目】甲醇是重要的化工原料，又可作燃料。

I.工業(yè)上利用CO生產(chǎn)燃料甲醇。已知2H2(g)+CO(g) CH3OH(g)，則：

（1）在恒溫恒容的剛性容器中進(jìn)行該反應(yīng)，能說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)的是____。(選填字母序號(hào))

a.混合氣體密度不再改變

b.混合氣體平均摩爾質(zhì)量不再改變

c.H2、CO、CH3OH的濃度之比為2：1：1

d.單位時(shí)間內(nèi)消耗1molCO的同時(shí)生成2molH2

（2）在密閉容器中按物質(zhì)的量之比為2:1充入H2和CO，測(cè)得平衡混合物中CH3OH的體積分?jǐn)?shù)在不同壓強(qiáng)下隨溫度的變化情況如圖1所示。

①逆反應(yīng)速率：v逆(A)__v正(B)(填“>”、“<”或"=”)

②C點(diǎn)時(shí)，H2的平衡轉(zhuǎn)化率為________________，該反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp=____kPa－2(用含p2的代數(shù)式表達(dá)，KP為用氣體平衡分壓代替氣體平衡濃度表示的平衡常數(shù)，氣體分壓=氣體總壓×氣體的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù))。

II.甲醇水蒸氣重整制氫(SRM)系統(tǒng)簡(jiǎn)單，產(chǎn)物中H2含量高、CO含量低(CO會(huì)損壞燃料電池的交換膜)，是電動(dòng)汽車氫氧燃料電池的理想氫源。反應(yīng)如下：

反應(yīng)i(主)：CH3OH(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g) △H1=+49kJ·mol－1

反應(yīng)ii(副)：H2(g)+CO2(g) CO(g)+H2O(g) △H2=+41kJ·mol－1

溫度高于300°C則會(huì)同時(shí)發(fā)生反應(yīng)iii：CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) △H3

（3）計(jì)算△H3=____________.

（4）升溫將有利于提高CH3OH轉(zhuǎn)化率，但也存在一個(gè)明顯的缺點(diǎn)是____________。

（5）催化劑可以改變化學(xué)反應(yīng)速率，但也存在著一種特性叫“催化劑的選擇性”。圖2為某催化劑條件下，CH3OH轉(zhuǎn)化率、CO生成率與溫度的變化關(guān)系。隨著溫度的升高，CO的實(shí)際反應(yīng)生成率與平衡狀態(tài)生成率相差越來(lái)越大的原因是催化劑對(duì)____________(填“反應(yīng)i”或"反應(yīng)ii”)的選擇性低。

Answer 1

【答案】bd ＜ 75% +90kJmol-1 CO含量升高，破壞燃料電池的交換膜 反應(yīng)ii

【解析】

Ⅰ(1)可逆反應(yīng)到達(dá)平衡時(shí)，同種物質(zhì)的正逆速率相等且保持不變，各組分的濃度、含量保持不變，由此衍生的其它一些量不變，判斷平衡的物理量應(yīng)隨反應(yīng)進(jìn)行發(fā)生變化，該物理量由變化到不再變化說(shuō)明到達(dá)平衡；

(2)①溫度相同時(shí)，p1曲線對(duì)應(yīng)的CH3OH的體積分?jǐn)?shù)較高，則說(shuō)明增大壓強(qiáng)平衡正移，故p1＞p2，且B點(diǎn)溫度高于A點(diǎn)溫度；

②C點(diǎn)時(shí)，CH3OH的體積分?jǐn)?shù)為50%，

V(CH3OH)%=×100%=×100%=50%，解得x=0.75，轉(zhuǎn)化率α(H2)=×100%；平衡常數(shù)KP=，p(H2)=×p2，p(CO)=×p2，p(CH3OH)=×p2；

Ⅱ(3)已知：反應(yīng)i(主)：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)△H1=+49kJmol-1
反應(yīng)ii(副)：H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=+41kJmol-1
結(jié)合蓋斯定律：反應(yīng)i+反應(yīng)ii即可得反應(yīng)iii；

(4)根據(jù)CO含量升高會(huì)損壞燃料電池的交換膜分析；

(5)催化劑的選擇性分析判斷，隨著溫度的升高一氧化碳生產(chǎn)率低。

Ⅰ(1)a．該反應(yīng)氣體質(zhì)量與體積不變，則氣體密度為定值，混合氣體密度不再改變不能說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故a錯(cuò)誤；

b．該反應(yīng)氣體質(zhì)量不變，氣體物質(zhì)的量改變，則混合氣體的平均摩爾質(zhì)量為變化值，混合氣體平均摩爾質(zhì)量不再改變可以說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故b正確；

c．H2、CO、CH3OH的濃度之比為2:1:1不能說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故c錯(cuò)誤；

d．單位時(shí)間內(nèi)消耗1molCO的同時(shí)生成2molH2可以說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故d正確；

故答案為：bd；

(2)①溫度相同時(shí)，p1曲線對(duì)應(yīng)的CH3OH的體積分?jǐn)?shù)較高，則說(shuō)明增大壓強(qiáng)平衡正移，故p1＞p2，結(jié)合B點(diǎn)溫度高于A點(diǎn)溫度，則v逆(A)＜v正(B)；

②C點(diǎn)時(shí)，CH3OH的體積分?jǐn)?shù)為50%，

V(CH3OH)%=×100%=×100%=50%，解得x=0.75mol，轉(zhuǎn)化率α(H2)= =×100%=75%；平衡常數(shù)KP=， p(H2)=×p2，p(CO)=×p2，p(CH3OH)=×p2 ，KP==；

Ⅱ(3)已知：反應(yīng)i(主)：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)△H1=+49kJmol1

反應(yīng)ii(副)：H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=+41kJmol1

結(jié)合蓋斯定律：反應(yīng)i+反應(yīng)ii即可得反應(yīng)iii:CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)△H3=(+49+41)kJ/mol=+90kJ/mol；

(4)升溫有利于平衡正移，提高CH3OH轉(zhuǎn)化率，但CO含量升高會(huì)損壞燃料電池的交換膜；

(5)催化劑的選擇性分析判斷，隨著溫度的升高一氧化碳生產(chǎn)率低，說(shuō)明催化劑對(duì)反應(yīng)ii的選擇性差。