Question

(1)以甲醇为原料制取高纯H₂具有重要的应用价值。甲醇水蒸气重整制氢主要发生以下两个反应：

主反应：   ∆H=+49kJ∙mol^-1

副反应：        ∆H=+41kJ∙mol^-1

①甲醇蒸气在催化剂作用下裂解可得到H₂和CO，则该反应的热化学方程式为_________________，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对甲醇水蒸气重整制氢的好处是__________。

③某温度下，将n(H₂O)：n(CH₃OH)=1：1的原料气充入恒容密闭容器中，初始压强为P₁，反应达平衡时总压强为P₂，则平衡时甲醇的转化率为________________(忽略副反应，用含P₁、P₂的式子表示)。

(2)工业上用CH₄与水蒸气在一定条件下制取H₂，原理为：   ∆H=+203kJ∙mol^-1

①该反应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下表：

c(CO)/mol·L^－^1	c(H2)/mol·L^－^1	v逆/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，该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的体积分数与温度关系如图所示：N点v_正____________M点v_逆(填“大于”或“小于”)；Q点对应温度下该反应的平衡常数K=_______________mol²·L^－2。平衡后再向容器中加入1molCH₄和1molCO，平衡向_____________方向移动(填“正反应”或“逆反应”)。

Answer

∆H =+90 kJ·mol－1 升温 提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成或抑制副反应发生 1.2×104 小于 48 正反应

【解析】

利用已知的两个反应，依据盖斯定律，可求出甲醇蒸气在催化剂作用下裂解生成H2和CO的热化学方程式；分析浓度变化对热化学方程式 ∆H =+90 kJ·mol－1的速率和CH3OH平衡转化率的影响，从而确定改变的反应条件；适当增大水醇比，即考虑主反应的的产率，又考虑对副反应产物的影响，从而得出这样操作的好处；利用n(H2O)：n(CH3OH)=1：1，建立三段式，求出甲醇的物质的量的变化量，从而平衡时甲醇的转化率。利用表中数据及公式v逆=k·c(CO)·c3(H2)求出c2，再代入公式求出k。利用已知条件“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”，建立三段式，利用H2的平衡体积分数为60%，求出CH4的物质的量浓度，从而求出Q点对应温度下该反应的平衡常数K；平衡后再向容器中加入1molCH4和1molCO，求出浓度商，与平衡常数进行比较，从而确定平衡移动的方向。

。

(1)主反应： ∆H=+49kJ∙mol- ①

副反应： ∆H=+41kJ∙mol-1 ②

①利用盖斯定律，将①+②得：甲醇蒸气在催化剂作用下裂解可得到H2和CO，则该反应的热化学方程式为 ∆H =+90 kJ·mol－1，加快反应速率需增大浓度、压强、升高温度、加入催化剂等，但增大浓度、压强、加入催化剂都不能提高CH3OH平衡转化率，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温。答案为： ∆H =+90 kJ·mol－1；升温；

②适当增大水醇比，可增加主反应中CH3OH的平衡转化率，同时对副反应起抑制作用，所以对甲醇水蒸气重整制氢的好处是提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成或抑制副反应发生。答案为：提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成或抑制副反应发生；

③某温度下，将n(H2O)：n(CH3OH)=1：1的原料气充入恒容密闭容器中，此时设n(H2O)=n(CH3OH)=1mol，甲醇的物质的量的变化量为x，建立以下三段式：

，x=mol，则平衡时甲醇的转化率为=。答案为：；

(2)①依据v逆可得：，c2=0.2mol/L，8.1= k×0.2×0.153，k=1.2×104L3·mol－3·min－1。答案为：1.2×104；

②从图中可以看出，M点时温度高于N点，所以N点v正小于M点v逆；Q点对应温度为T3，此时H2的平衡体积分数为60%，设参加反应的CH4的物质的量浓度为y，由题给数据可建立以下三段式：

，y=mol/L，该反应的平衡常数K=mol2·L－2=48mol2·L－2。平衡后再向容器中加入1molCH4和1molCO，此时浓度商Q=mol2·L－2=36 mol2·L－2<48 mol2·L－2，所以平衡向正反应方向移动。答案为：小于；48；正反应。