Question

甲醇是重要的化工原料，又可作燃料。

I.工业上利用CO生产燃料甲醇。已知2H₂(g)+CO(g) ⇌CH₃OH(g)，则：

（1）在恒温恒容的刚性容器中进行该反应，能说明达到平衡状态的是____。(选填字母序号)

a.混合气体密度不再改变

b.混合气体平均摩尔质量不再改变

c.H₂、CO、CH₃OH的浓度之比为2：1：1

d.单位时间内消耗1molCO的同时生成2molH₂

（2）在密闭容器中按物质的量之比为2:1充入H₂和CO，测得平衡混合物中CH₃OH的体积分数在不同压强下随温度的变化情况如图1所示。

①逆反应速率：v_逆(A)__v_正(B)(填“>”、“<”或"=”)•

②C点时，H₂的平衡转化率为________________，该反应的平衡常数K_p=____kPa^－2(用含p₂的代数式表达，K_P为用气体平衡分压代替气体平衡浓度表示的平衡常数，气体分压=气体总压×气体的物质的量分数)。

II.甲醇水蒸气重整制氢(SRM)系统简单，产物中H₂含量高、CO含量低(CO会损坏燃料电池的交换膜)，是电动汽车氢氧燃料电池的理想氢源。反应如下：

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

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

温度高于300°C则会同时发生反应iii：CH₃OH(g) ⇌ CO(g)+2H₂(g)  △H₃

（3）计算△H₃=____________.

（4）升温将有利于提高CH₃OH转化率，但也存在一个明显的缺点是____________。

（5）催化剂可以改变化学反应速率，但也存在着一种特性叫“催化剂的选择性”。图2为某催化剂条件下，CH₃OH转化率、CO生成率与温度的变化关系。随着温度的升高，CO的实际反应生成率与平衡状态生成率相差越来越大的原因是催化剂对____________(填“反应i”或"反应ii”)的选择性低。

Answer

bd ＜ 75% +90kJ•mol-1 CO含量升高，破坏燃料电池的交换膜 反应ii

【解析】

Ⅰ(1)可逆反应到达平衡时，同种物质的正逆速率相等且保持不变，各组分的浓度、含量保持不变，由此衍生的其它一些量不变，判断平衡的物理量应随反应进行发生变化，该物理量由变化到不再变化说明到达平衡；

(2)①温度相同时，p1曲线对应的CH3OH的体积分数较高，则说明增大压强平衡正移，故p1＞p2，且B点温度高于A点温度；

②C点时，CH3OH的体积分数为50%，

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

Ⅱ(3)已知：反应i(主)：CH3OH(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+3H2(g)△H1=+49kJ•mol-1
反应ii(副)：H2(g)+CO2(g)⇌CO(g)+H2O(g)△H2=+41kJ•mol-1
结合盖斯定律：反应i+反应ii即可得反应iii；

(4)根据CO含量升高会损坏燃料电池的交换膜分析；

(5)催化剂的选择性分析判断，随着温度的升高一氧化碳生产率低。

Ⅰ(1)a．该反应气体质量与体积不变，则气体密度为定值，混合气体密度不再改变不能说明达到平衡状态，故a错误；

b．该反应气体质量不变，气体物质的量改变，则混合气体的平均摩尔质量为变化值，混合气体平均摩尔质量不再改变可以说明达到平衡状态，故b正确；

c．H2、CO、CH3OH的浓度之比为2:1:1不能说明达到平衡状态，故c错误；

d．单位时间内消耗1molCO的同时生成2molH2可以说明达到平衡状态，故d正确；

故答案为：bd；

(2)①温度相同时，p1曲线对应的CH3OH的体积分数较高，则说明增大压强平衡正移，故p1＞p2，结合B点温度高于A点温度，则v逆(A)＜v正(B)；

②C点时，CH3OH的体积分数为50%，

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

Ⅱ(3)已知：反应i(主)：CH3OH(g)+H2O(g)⇌CO2(g)+3H2(g)△H1=+49kJ⋅mol−1

反应ii(副)：H2(g)+CO2(g)⇌CO(g)+H2O(g)△H2=+41kJ⋅mol−1

结合盖斯定律：反应i+反应ii即可得反应iii:CH3OH(g)⇌CO(g)+2H2(g)△H3=(+49+41)kJ/mol=+90kJ/mol；

(4)升温有利于平衡正移，提高CH3OH转化率，但CO含量升高会损坏燃料电池的交换膜；

(5)催化剂的选择性分析判断，随着温度的升高一氧化碳生产率低，说明催化剂对反应ii的选择性差。