Question

甲醇合成反应为：CO（g）+2H₂（g）⇌CH₃OH（g）工业上用天然气为原料，分为两阶段：
Ⅰ、制备合成气：CH₄+H₂O（g）⇌CO+3H₂．为解决合成气中H₂过量CO不足问题，原料气中添加CO₂：
CO₂+H₂=CO+H₂O．为了使合成气配比最佳，理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为    ．
Ⅱ、合成甲醇：
（1）反应过程中物质能量变化如图所示．写出合成甲醇的热化学方程式    ．
实验室在1L密闭容器中进行模拟合成实验．将1molCO和2molH2通入容器中，分别恒温在300℃和500℃反应，每隔一定时间测得容器中甲醇的浓度如下：

	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300℃	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500℃	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

（2）在300℃反应开始10分钟内，H₂的平均反应速率    ．
（3）500℃平衡常数K=    ．
（4）在另一体积不变的容器中，充入1.2molCO和2.0molH₂，一定条件下达到平衡，测得容器内压强为起始的一半．计算该条件下H₂转化率．（写出计算过程）

Answer

Ⅰ、由CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）可知，理论上一氧化碳与氢气按n（CO）：n（H2）=1：2进行反应，由方程式知1mol甲烷生成1molCO与3molH2，H2过量1mol，过量的氢气由二氧化碳反应，根据方程式可知1molH2需二氧化碳mol，据此计算．
Ⅱ、（1）由反应过程中物质能量变化图可知，1molCO（g）与2molH2（g）完全反应生成1molCH3OH（g）放出热量为（b-a）kJ，结合热化学方程式书写规则书写．
（2）由表可知10min内，甲醇的浓度变化为0.40mol/L，根据v=计算v（CH3OH），再利用速率之比等于化学计量数之比计算v（H2）．
（3）由表可知40min时，反应达平衡状态，甲醇的平衡浓度为0.80mol/L．CO的起始浓度为1mol/L、H2的起始浓度为2mol/L，根据三段式计算出平衡时各组分的平衡浓度，代入平衡常数表达式计算．
（4）测得平衡时容器内压强为起始的一半，则平衡时混合气体的总物质的量为（1.2mol+2mol）×=1.6mol，根据方程式利用差量法计算转化的一氧化碳的物质的量，转化的氢气的物质的量是一氧化碳的2倍，再利用转化率定义计算．
【解析】
Ⅰ、由CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）可知，理论上一氧化碳与氢气按n（CO）：n（H2）=1：2进行反应，由反应CH4（g）+H2O（g）CO（g）+3H2（g）可知1mol甲烷生成1molCO与3molH2，H2过量1mol，过量的氢气由二氧化碳反应，根据反应CO2（g）+3H2（g）CH3OH（g）+H2O（g）可知1molH2需二氧化碳mol，所以理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为1mol：mol=3：1．
故答案为：3：1．
Ⅱ、（1）由反应过程中物质能量变化图可知，1molCO（g）与2molH2（g）完全反应生成1molCH3OH（g）放出热量为
（b-a）kJ，所以合成甲醇的热化学方程式为CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol．
故答案为：CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）△H=-（b-a）kJ/mol．
（2）由表可知10min内，甲醇的浓度变化为0.40mol/L，所以v（CH3OH）==0.040mol/（L•min），速率之比等于化学计量数之比，所以v（H2）=2v（CH3OH）=2×0.040mol/（L•min）=0.080mol/（L•min）．
故答案为：0.080mol/（L•min）．
（3）由表可知40min时，反应达平衡状态，甲醇的平衡浓度为0.80mol/L，CO的起始浓度为1mol/L、H2的起始浓度为2mol/L，所以：
               CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）
开始（mol/L）：1        2                0
变化（mol/L）：0.8     1.6              0.8  
平衡（mol/L）：0.2     0.4              0.8
所以500℃平衡常数k==25
故答案为：25
（4）充入1.2molCO2和2.0molH2，一定条件下达到平衡，测得容器内压强为起始的一半，则平衡时混合气体的总物质的量为（1.2mol+2mol）×=1.6mol，令转化的一氧化碳的物质的量为xmol，则：
CO（g）+2H2（g）CH3OH（g）物质的量变化△n
1       2                                2
x       2x                       1.2mol+2mol-1.6mol=1.6mol
所以x=0.8mol
所以氢气的转化率为=80%．
答：氢气的转化率为80%．