Question

【題目】利用甲醇和水蒸氣重整為燃料電池提供氫氣。甲醇和水蒸氣重整的主要反應是：反應i：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H1= +49 kJ/mol。同時，存在副反應：反應ii：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) △H2= +91 kJ/mol

(1)反應i的平衡常數K的表達式是_______。

(2)為探究條件對反應i平衡的影響，X、 Y(Y1、Y2)可分別代表壓強或溫度。下圖表示Y一定時，反應i中H2O(g)的平衡轉化率隨X的變化關系。

① X代表的物理量是_______。

② 判斷Y1_______Y2(填“>”或“<”)，理由是_______。

(3)CO易使反應i的催化劑中毒，研究溫度和投料比對甲醇轉化率及重整氣中CO物質的量分數的影響，結果如圖所示。

①選擇250℃、水/甲醇投料比為2作為最佳條件進行反應，原因是_______。

②250℃時CO物質的量分數始終高于200℃時CO物質的量分數的原因可能是_______。

Answer 1

【答案】K= 溫度 > 反應i的正反應方向氣體體積增大，當溫度一定時，壓強增大，反應向左移動，H2O(g)平衡轉化率減小。 此條件下甲醇的平衡轉化率最高，且CO的物質的量分數較小。 投料比一定，溫度升高，反應ii向右移動，反應i也向右移動使c（CH3OH）減少而使反應ii左移，溫度對反應ii的影響較后者大，所以整體表現為250℃時CO含量較高。

【解析】

（1）直接根據平衡常數的定義即可表示出平衡常數的表達式。

（2）反應i的特點是：氣體分子數增多，水的平衡轉化率隨壓強的增大而減小；反應吸熱，水的平衡轉化率隨溫度的升高而增大。依此可判斷圖中X、Y分別代表的物理量以及Y1、Y2的關系。

（3）從圖中可知：隨著水/甲醇投料比增大，甲醇轉化率增大；CO的物質的量分數在200℃時減小不明顯，在250℃時，隨著水/甲醇投料比的增大而明顯減小。根據這些特點及反應本身的特點，運用勒夏特列原理，可以對①、②小題進行解答。

（1）根據平衡常數的定義，反應i：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) 的平衡常數K表達式是：K=，故答案為： K=

（2）①.根據分析可知：反應i中，水的平衡轉化率隨溫度的升高而增大，隨壓強的增大而減小，故X為溫度符合題意，X為壓強不符合題意，故X表示溫度；②.溫度相同時，增大壓強平衡逆向移動，水的平衡轉化率下降，故Y2壓強大于Y1的，故答案為：溫度；>；反應i的正反應方向氣體體積增大，當溫度一定時，壓強增大，反應向左移動，H2O(g)平衡轉化率減小

（3）①.一氧化碳能使催化劑中毒，所以在選擇條件時，應在照顧甲醇轉化率的同時，盡量減少一氧化碳的物質的量分數。相同投料比時，250℃比200℃甲醇轉化率高，且在水/甲醇投料比為2時，一氧化碳物質的量分數降低明顯。所以反應選擇250℃和水/甲醇投料比為2條件最佳，故答案為：此條件下甲醇的平衡轉化率最高，且CO的物質的量分數較小

②.反應i、ii均為吸熱反應，所以溫度高，均有利于向正向移動。i的正向移動使甲醇濃度降低，氫氣濃度升高從而使抑制了反應ii的正向移動，使一氧化碳濃度下降；而ii的正向移動使CO含量升高，兩個相反的影響總的結果根據圖示可知：升高溫度對反應ii的影響大于對反應i的影響，即溫度在250℃時比200℃時CO物質的量分數高，故答案為：投料比一定，溫度升高，反應ii向右移動，反應i也向右移動使c（CH3OH）減少而使反應ii左移，溫度對反應ii的影響較后者大，所以整體表現為250℃時CO含量較高