Question

除去雜質后的水煤氣主要含H₂、CO，是理想的合成甲醇的原料氣。
（1）生產水煤氣過程中有以下反應：①C(s)+CO₂₍g)2CO(g)  △H₁；
②CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)  △H₂；③C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)  △H₃；
上述反應△H₃與△H₁、△H₂之間的關系為                       。
（2）將CH₄轉化成CO，工業上常采用催化轉化技術，其反應原理為：2CH₄(g)＋3O₂(g)4CO(g)＋4H₂O(g)   △H=－1038kJ/mol。工業上要選擇合適的催化劑，分別對X、Y、Z三種催化劑進行如下實驗（其他條件相同）：
①X在750℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×10⁵倍；
②Y在600℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×10⁵倍；
③Z在440℃時催化效率最高，能使逆反應速率加快約1×10⁶倍；
根據上述信息，你認為在生產中應該選擇的適宜催化劑是      （填“X”或“Y”或“Z”），選擇的理由是                                                      ；
（3）請在答題卡中，畫出（2）中反應在有催化劑與無催化劑兩種情況下反應過程中體系能量變化示意圖，并進行必要標注。
（4）合成氣合成甲醇的主要反應是：2H₂(g)+CO(g)CH₃OH(g) △H=－90.8kJ·mol^－1，T℃下此反應的平衡常數為160。
此溫度下，在密閉容器中開始只加入CO、H₂，反應10min后測得各組分的濃度如下：

物質	H2	CO	CH3OH
濃度/（mol·L－1）	0.20	0.10	0.40

 
①該時間段內平均反應速率v(H₂)=                       。
②比較此時正、逆反應速率的大小：v(正)      v (逆)（填“＞”、“＜”或“＝”）
（5）生產過程中，合成氣要進行循環，其目的是                                 。

Answer 1

（16分）
（1）△H₃=△H₁+△H₂（2分）
（2）Z（2分） 催化效率高且活性溫度低，節能（或催化活性高、速度快，反應溫度低）（3分）
（3）畫圖如下（3分）：

（4）①0.080 mol·L^－1·min^－1 （2分）   ②＞（2分）
（5）提高原料利用率（或提高產量、產率也可）（2分）

解析試題分析：（1）觀察3個熱化學方程式，發現①+②=③，根據蓋斯定律，△H₃=△H₁+△H₂；（2）正反應是放熱反應，升高溫度平衡向逆反應方向移動，不利于甲烷轉化為CO，因此選擇Z催化劑，因為催化效率高且活性溫度低，節能（或催化活性高、速度快，反應溫度低）；（3）畫圖要點：反應物的總能量高于生成物的總能量；無催化劑時正、逆反應的活化能較高；催化劑能降低正、逆反應的活化能，對焓變、反應物或生成物的總能量無影響，有催化劑時正、逆反應的活化能較低；標注反應物、生成物、△H、無催化劑、有催化劑；（4）①先用定義式求v(CH₃OH)，再用系數之必等于速率之比求v(H₂)，即v(CH₃OH)=△c(CH₃OH)/△t=(0.40—0)mol/L÷10min=0.040mol/(L?min)，由于v(H₂)/v(CH₃OH)=2/1，則v(H₂)=2v(CH₃OH)= 0.080mol/(L?min)，保留兩位有效數字；②此時c(CH₃OH)/[ c²(H₂)?c(CO)]=0.40/[0.20²×0.10]=100，由于100<K=160，為了能達到該溫度下的平衡常數，說明該反應向正反應方向進行，即v(正)> v(逆)；（5）合成氣循環利用的目的是提高原料利用率(或提高產量、產率也可)。
考點：考查化學反應原理，涉及蓋斯定律、催化劑的選擇及解釋原因、有無催化劑時體系能量變化示意圖、平均反應速率的計算、化學平衡常數的應用、循環利用合成氣的目的等。