Question

（16分）甲醇合成反應(yīng)為：CO(g)+2H2(g) CH3OH（g）。工業(yè)上用天然氣為原料，分為兩階段：

Ⅰ、制備合成氣：

用天然氣和水制取原料氣的方程式為： 。

原料氣中常添加CO2以解決合成氣中H2過量CO不足問題，請用方程式解釋原因 。為了使合成氣配比最佳，理論上原料氣中甲烷與二氧化碳體積比為_________。

Ⅱ、合成甲醇：

（1）反應(yīng)過程中物質(zhì)能量變化如圖所示。寫出合成甲醇的熱化學(xué)方程式____。

實(shí)驗(yàn)室在1L密閉容器中進(jìn)行模擬合成實(shí)驗(yàn)。將1molCO和2molH2通入容器中，分別恒溫在3000C和5000C反應(yīng)，每隔一定時(shí)間測得容器中甲醇的濃度如下：

	10min	20min	30min	40min	50min	60min
3000C	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
5000C	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

（2）在3000C反應(yīng)開始10分鐘內(nèi)，H2的平均反應(yīng)速率_____________。

（3）5000C平衡常數(shù)K=___________。

（4）在另一體積不變的容器中，充入1.2molCO和2.0molH2，一定條件下達(dá)到平衡，測得容器內(nèi)壓強(qiáng)為起始的一半。計(jì)算該條件下H2轉(zhuǎn)化率為 。

Answer 1

Ⅰ、CH4+H2O(g) CO+3H2，（2分） CO2+H2CO+H2O。（2分） 3:1 （2分）

Ⅱ.（1）CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH=(a-b)kJ/mol [ΔH=-(b-a)kJ/mol （3分）

（2） 0.080mol/(L·min) （2分） （3） 25 （2分） （4） 80% （3分）

【解析】

試題分析：Ⅰ、制備合成氣：

天然氣的主要成分是甲烷，則用天然氣和水制取原料氣的方程式為CH4+H2O(g) CO+3H2。由于在一定條件下CO2能與氫氣反應(yīng)生成CO和水，即CO2+H2CO+H2O，所以原料氣中常添加CO2以解決合成氣中H2過量CO不足問題。CO和氫氣按照1：2混合時(shí)恰好反應(yīng)生成甲醇，為了使合成氣配比最佳，可設(shè)甲烷的物質(zhì)的量是x，CO2是y。甲烷產(chǎn)生的CO和氫氣分別是x和3x，CO2消耗的氫氣和產(chǎn)生的CO均是y，則有，解得x：y＝3：1。

Ⅱ、合成甲醇：

（1）反應(yīng)過程中物質(zhì)能量變化如圖所示，根據(jù)圖像可知反應(yīng)放出的能量是bkJ—akJ，則合成甲醇的熱化學(xué)方程式為CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH=—(b-a)kJ/mol。

（2）在3000C反應(yīng)開始10分鐘內(nèi)生成甲醇的物質(zhì)的量濃度是0.4mol/L，則根據(jù)方程式CO(g)+2H2(g) CH3OH（g）可知消耗氫氣的濃度是0.8mol/L，所以H2的平均反應(yīng)速率＝0.8mol/L÷10min＝0.080mol/(L·min)。

（3）5000C時(shí)反應(yīng)進(jìn)行到40min時(shí)達(dá)到平衡狀態(tài)，產(chǎn)生甲醇是0.8mol/L，則消耗CO和氫氣的濃度分別是0.8mol/L和1.6mo/L，則平衡時(shí)CO和氫氣的濃度分別是0.2mol/L和0.4mol/L。根據(jù)化學(xué)平衡常數(shù)是在一定條件下，當(dāng)可逆反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，生成物濃度的冪之積和反應(yīng)物濃度的冪之積的比值可知500℃時(shí)平衡常數(shù)K=。

（4） CO(g)+2H2(g) CH3OH（g）

起始量（mol） 1.2 2 0

轉(zhuǎn)化量（mol） x 2x x

平衡量（mol）1.2-x 2—2x x

所以根據(jù)平衡時(shí)容器內(nèi)壓強(qiáng)為起始的一半可知

解得x＝0.8mol

因此氫氣的轉(zhuǎn)化率是

考點(diǎn)：考查可逆反應(yīng)平衡狀態(tài)的有關(guān)計(jì)算