Question

【題目】甲醇是重要的化工原料，又可作燃料。

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

（1）在恒溫恒容的剛性容器中進行該反應，能說明達到平衡狀態的是____。(選填字母序號)

a.混合氣體密度不再改變

b.混合氣體平均摩爾質量不再改變

c.H2、CO、CH3OH的濃度之比為2：1：1

d.單位時間內消耗1molCO的同時生成2molH2

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

①逆反應速率：v逆(A)__v正(B)(填“>”、“<”或"=”)

②C點時，H2的平衡轉化率為________________，該反應的平衡常數Kp=____kPa－2(用含p2的代數式表達，KP為用氣體平衡分壓代替氣體平衡濃度表示的平衡常數，氣體分壓=氣體總壓×氣體的物質的量分數)。

II.甲醇水蒸氣重整制氫(SRM)系統簡單，產物中H2含量高、CO含量低(CO會損壞燃料電池的交換膜)，是電動汽車氫氧燃料電池的理想氫源。反應如下：

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

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

溫度高于300°C則會同時發生反應iii：CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) △H3

（3）計算△H3=____________.

（4）升溫將有利于提高CH3OH轉化率，但也存在一個明顯的缺點是____________。

（5）催化劑可以改變化學反應速率，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轉化率、CO生成率與溫度的變化關系。隨著溫度的升高，CO的實際反應生成率與平衡狀態生成率相差越來越大的原因是催化劑對____________(填“反應i”或"反應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ii

【解析】

Ⅰ(1)可逆反應到達平衡時，同種物質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隨反應進行發生變化，該物理量由變化到不再變化說明到達平衡；

(2)①溫度相同時，p1曲線對應的CH3OH的體積分數較高，則說明增大壓強平衡正移，故p1＞p2，且B點溫度高于A點溫度；

②C點時，CH3OH的體積分數為50%，

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

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

(4)根據CO含量升高會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率低。

Ⅰ(1)a．該反應氣體質量與體積不變，則氣體密度為定值，混合氣體密度不再改變不能說明達到平衡狀態，故a錯誤；

b．該反應氣體質量不變，氣體物質的量改變，則混合氣體的平均摩爾質量為變化值，混合氣體平均摩爾質量不再改變可以說明達到平衡狀態，故b正確；

c．H2、CO、CH3OH的濃度之比為2:1:1不能說明達到平衡狀態，故c錯誤；

d．單位時間內消耗1molCO的同時生成2molH2可以說明達到平衡狀態，故d正確；

故答案為：bd；

(2)①溫度相同時，p1曲線對應的CH3OH的體積分數較高，則說明增大壓強平衡正移，故p1＞p2，結合B點溫度高于A點溫度，則v逆(A)＜v正(B)；

②C點時，CH3OH的體積分數為50%，

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

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

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

結合蓋斯定律：反應i+反應ii即可得反應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轉化率，但CO含量升高會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率低，說明催化劑對反應ii的選擇性差。