Question

【題目】以高純H2為燃料的質子交換膜燃料電池具有能量效率高、無污染等優點，但燃料中若混有CO將顯著縮短電池壽命。

（1）以甲醇為原料制取高純H2是重要研究方向。甲醇水蒸氣重整制氫主要發生以下兩個反應：

主反應：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H=+49 kJmol-1

副反應：H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g) △H=+41 kJmol-1

①甲醇在催化劑作用下裂解可得到H2和CO，則該反應的化學方程式為_________________________，既能加快反應速率又能提高CH3OH平衡轉化率的一種措施是_________________________。

②分析適當增大水醇比（nH2O∶nCH3OH）對甲醇水蒸氣重整制氫的好處_________________________。

③某溫度下，將nH2O∶nCH3OH =1∶1的原料氣充入恒容密閉容器中，初始壓強為p1，反應達到平衡時總壓強為p2，則平衡時甲醇的轉化率為_________________________。（忽略副反應）

（2）工業常用CH4 與水蒸氣在一定條件下來制取H2，其原理為：

CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=+203kJ·mol-1

①該反應的逆反應速率表達式為； V逆=k·c(CO)·c3(H2)，k為速率常數，在某溫度下，測得實驗數據如表：

CO濃度（mol·L-1）	H2濃度（mol·L-1）	逆反應速率(mol·L-1·min-1)
0.05	C1	4.8
c2	C1	19.2
c2	0.15	8.1

由上述數據可得該溫度下，上述反應的逆反應速率常數k 為__________L3·mol-3·min-1。

②在體積為3L的密閉容器中通入物質的量均為3mol 的CH4和水蒸氣，在一定條件下發生上述反應，測得平衡時H2的體積分數與溫度及壓強的關系如圖所示，則壓強Pl_____P2（填“大于”或“小于”）溫度T3_______T4（填“大于”或“小于”）；壓強為P1時，在N點； v正_______v逆（填“大于”或“小于”或“等于”）。求N點對應溫度下該反應的平衡常數 K=_____________________。

Answer 1

【答案】 CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH = +90 kJ·mol-1 升高溫度 提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成 （﹣1）×100% 1.2×104 大于 小于 大于 48 mol2·L-2

【解析】①根據蓋斯定律可知：主反應+副反應整理后可得甲醇在催化劑作用下裂解可得到H2和CO，則該反應的化學方程式為CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH = +90 kJ·mol-1；該反應為吸熱反應，所以既能加快反應速率又能提高CH3OH平衡轉化率的一種措施是升高溫度；正確答案：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH = +90 kJ·mol-1；升高溫度。

（2）適當增大水醇比（nH2O∶nCH3OH）對甲醇水蒸氣重整制氫的好處提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成；正確答案：提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成。

③設反應前，甲醇和氫氣的量分別為1 mol，甲醇的變化量為xmol,根據反應進行計算：

CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H=+49 kJmol-1

起始量 1 1 0 0

變化量 x x x 3 x

平衡量 1- x 1- x x 3 x

根據壓強之比和物質的量成正比規律：p1/ p2=(1+1)/( 1- x+1- x+ x+3 x), x= ﹣1,則平衡時甲醇的轉化率為x/1×100%=（﹣1）×100% ；正確答案：（﹣1）×100% 。

（2）①根據反應的逆反應速率表達式為 V逆=k·c(CO)·c3(H2)可知：4.8=k×0.05×C13；19.2= k× c2×C13；兩個式子相除，得到c2=0.2，再根據第三組數據進行計算，8.1= k×0.2×0.153，解之得k= 1.2×104 L3·mol-3·min-1。；正確答案：1.2×104。

②從圖像可以看出，溫度升高，H2的體積分數增大，該反應正反應為吸熱反應；減小壓強，平衡正向移動，H2的體積分數增大；所以：壓強Pl大于P2，溫度T3小于T4；在N點時，當溫度不發生變化時，該反應正在向正反應方向進行，氫氣的體積分數不斷增大，最終達到平衡，所以 v正大于v逆；在N點時，當溫度不發生變化時，達到平衡時，氫氣的體積分數為60%，密閉容器的體積為3L，設CH4的變化量為x mol，計算如下：

CH4(g)+H2O(g)=CO(g)+3H2(g) ΔH=+203kJ·mol-1

起始量 3 3 0 0

變化量 x x x 3x

平衡量 3-x 3-x x 3x

3x/( 3-x+3-x+ x+3x)= 60%, x=2 mol, 平衡時各物質濃度為c(CH4)=1/3mol/L, c(H2O)=1/3 mol/L, c(H2)=2 mol/L, c(CO )=2/3 mol/L；N點對應溫度下該反應的平衡常數K=(23×2/3)/( 1/3×1/3)= 48 mol2·L-2;正確答案：大于；小于；大于；48 mol2·L-2。