Question

【题目】以高纯H2为燃料的质子交换膜燃料电池具有能量效率高、无污染等优点，但燃料中若混有CO将显著缩短电池寿命。

（1）以甲醇为原料制取高纯H2是重要研究方向。甲醇水蒸气重整制氢主要发生以下两个反应：

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

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

①甲醇在催化剂作用下裂解可得到H2和CO，则该反应的化学方程式为_________________________，既能加快反应速率又能提高CH3OH平衡转化率的一种措施是_________________________。

②分析适当增大水醇比（nH2O∶nCH3OH）对甲醇水蒸气重整制氢的好处_________________________。

③某温度下，将nH2O∶nCH3OH =1∶1的原料气充入恒容密闭容器中，初始压强为p1，反应达到平衡时总压强为p2，则平衡时甲醇的转化率为_________________________。（忽略副反应）

（2）工业常用CH4 与水蒸气在一定条件下来制取H2，其原理为：

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

①该反应的逆反应速率表达式为； V逆=k·c(CO)·c3(H2)，k为速率常数，在某温度下，测得实验数据如表：

CO浓度（mol·L-1）	H2浓度（mol·L-1）	逆反应速率(mol·L-1·min-1)
0.05	C1	4.8
c2	C1	19.2
c2	0.15	8.1

由上述数据可得该温度下，上述反应的逆反应速率常数k 为__________L3·mol-3·min-1。

②在体积为3L的密闭容器中通入物质的量均为3mol 的CH4和水蒸气，在一定条件下发生上述反应，测得平衡时H2的体积分数与温度及压强的关系如图所示，则压强Pl_____P2（填“大于”或“小于”）温度T3_______T4（填“大于”或“小于”）；压强为P1时，在N点； v正_______v逆（填“大于”或“小于”或“等于”）。求N点对应温度下该反应的平衡常数 K=_____________________。

Answer 1

【答案】 CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH = +90 kJ·mol-1 升高温度 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根据盖斯定律可知：主反应+副反应整理后可得甲醇在催化剂作用下裂解可得到H2和CO，则该反应的化学方程式为CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH = +90 kJ·mol-1；该反应为吸热反应，所以既能加快反应速率又能提高CH3OH平衡转化率的一种措施是升高温度；正确答案：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH = +90 kJ·mol-1；升高温度。

（2）适当增大水醇比（nH2O∶nCH3OH）对甲醇水蒸气重整制氢的好处提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成；正确答案：提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成。

③设反应前，甲醇和氢气的量分别为1 mol，甲醇的变化量为xmol,根据反应进行计算：

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

起始量 1 1 0 0

变化量 x x x 3 x

平衡量 1- x 1- x x 3 x

根据压强之比和物质的量成正比规律：p1/ p2=(1+1)/( 1- x+1- x+ x+3 x), x= ﹣1,则平衡时甲醇的转化率为x/1×100%=（﹣1）×100% ；正确答案：（﹣1）×100% 。

（2）①根据反应的逆反应速率表达式为 V逆=k·c(CO)·c3(H2)可知：4.8=k×0.05×C13；19.2= k× c2×C13；两个式子相除，得到c2=0.2，再根据第三组数据进行计算，8.1= k×0.2×0.153，解之得k= 1.2×104 L3·mol-3·min-1。；正确答案：1.2×104。

②从图像可以看出，温度升高，H2的体积分数增大，该反应正反应为吸热反应；减小压强，平衡正向移动，H2的体积分数增大；所以：压强Pl大于P2，温度T3小于T4；在N点时，当温度不发生变化时，该反应正在向正反应方向进行，氢气的体积分数不断增大，最终达到平衡，所以 v正大于v逆；在N点时，当温度不发生变化时，达到平衡时，氢气的体积分数为60%，密闭容器的体积为3L，设CH4的变化量为x mol，计算如下：

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

起始量 3 3 0 0

变化量 x x x 3x

平衡量 3-x 3-x x 3x

3x/( 3-x+3-x+ x+3x)= 60%, x=2 mol, 平衡时各物质浓度为c(CH4)=1/3mol/L, c(H2O)=1/3 mol/L, c(H2)=2 mol/L, c(CO )=2/3 mol/L；N点对应温度下该反应的平衡常数K=(23×2/3)/( 1/3×1/3)= 48 mol2·L-2;正确答案：大于；小于；大于；48 mol2·L-2。