Question

【題目】利用甲醇和水蒸氣重整為燃料電池提供氫氣。甲醇和水蒸氣重整的主要反應(yīng)是：反應(yīng)i：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H1= +49 kJ/mol。同時(shí)，存在副反應(yīng)：反應(yīng)ii：CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) △H2= +91 kJ/mol

(1)反應(yīng)i的平衡常數(shù)K的表達(dá)式是_______。

(2)為探究條件對(duì)反應(yīng)i平衡的影響，X、 Y(Y1、Y2)可分別代表壓強(qiáng)或溫度。下圖表示Y一定時(shí)，反應(yīng)i中H2O(g)的平衡轉(zhuǎn)化率隨X的變化關(guān)系。

① X代表的物理量是_______。

② 判斷Y1_______Y2(填“>”或“<”)，理由是_______。

(3)CO易使反應(yīng)i的催化劑中毒，研究溫度和投料比對(duì)甲醇轉(zhuǎn)化率及重整氣中CO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的影響，結(jié)果如圖所示。

①選擇250℃、水/甲醇投料比為2作為最佳條件進(jìn)行反應(yīng)，原因是_______。

②250℃時(shí)CO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)始終高于200℃時(shí)CO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)的原因可能是_______。

Answer 1

【答案】K= 溫度 > 反應(yīng)i的正反應(yīng)方向氣體體積增大，當(dāng)溫度一定時(shí)，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)向左移動(dòng)，H2O(g)平衡轉(zhuǎn)化率減小。 此條件下甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率最高，且CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)較小。 投料比一定，溫度升高，反應(yīng)ii向右移動(dòng)，反應(yīng)i也向右移動(dòng)使c（CH3OH）減少而使反應(yīng)ii左移，溫度對(duì)反應(yīng)ii的影響較后者大，所以整體表現(xiàn)為250℃時(shí)CO含量較高。

【解析】

（1）直接根據(jù)平衡常數(shù)的定義即可表示出平衡常數(shù)的表達(dá)式。

（2）反應(yīng)i的特點(diǎn)是：氣體分子數(shù)增多，水的平衡轉(zhuǎn)化率隨壓強(qiáng)的增大而減小；反應(yīng)吸熱，水的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增大。依此可判斷圖中X、Y分別代表的物理量以及Y1、Y2的關(guān)系。

（3）從圖中可知：隨著水/甲醇投料比增大，甲醇轉(zhuǎn)化率增大；CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)在200℃時(shí)減小不明顯，在250℃時(shí)，隨著水/甲醇投料比的增大而明顯減小。根據(jù)這些特點(diǎn)及反應(yīng)本身的特點(diǎn)，運(yùn)用勒夏特列原理，可以對(duì)①、②小題進(jìn)行解答。

（1）根據(jù)平衡常數(shù)的定義，反應(yīng)i：CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) 的平衡常數(shù)K表達(dá)式是：K=，故答案為： K=

（2）①.根據(jù)分析可知：反應(yīng)i中，水的平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度的升高而增大，隨壓強(qiáng)的增大而減小，故X為溫度符合題意，X為壓強(qiáng)不符合題意，故X表示溫度；②.溫度相同時(shí)，增大壓強(qiáng)平衡逆向移動(dòng)，水的平衡轉(zhuǎn)化率下降，故Y2壓強(qiáng)大于Y1的，故答案為：溫度；>；反應(yīng)i的正反應(yīng)方向氣體體積增大，當(dāng)溫度一定時(shí)，壓強(qiáng)增大，反應(yīng)向左移動(dòng)，H2O(g)平衡轉(zhuǎn)化率減小

（3）①.一氧化碳能使催化劑中毒，所以在選擇條件時(shí)，應(yīng)在照顧甲醇轉(zhuǎn)化率的同時(shí)，盡量減少一氧化碳的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)。相同投料比時(shí)，250℃比200℃甲醇轉(zhuǎn)化率高，且在水/甲醇投料比為2時(shí)，一氧化碳物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)降低明顯。所以反應(yīng)選擇250℃和水/甲醇投料比為2條件最佳，故答案為：此條件下甲醇的平衡轉(zhuǎn)化率最高，且CO的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)較小

②.反應(yīng)i、ii均為吸熱反應(yīng)，所以溫度高，均有利于向正向移動(dòng)。i的正向移動(dòng)使甲醇濃度降低，氫氣濃度升高從而使抑制了反應(yīng)ii的正向移動(dòng)，使一氧化碳濃度下降；而ii的正向移動(dòng)使CO含量升高，兩個(gè)相反的影響總的結(jié)果根據(jù)圖示可知：升高溫度對(duì)反應(yīng)ii的影響大于對(duì)反應(yīng)i的影響，即溫度在250℃時(shí)比200℃時(shí)CO物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)高，故答案為：投料比一定，溫度升高，反應(yīng)ii向右移動(dòng)，反應(yīng)i也向右移動(dòng)使c（CH3OH）減少而使反應(yīng)ii左移，溫度對(duì)反應(yīng)ii的影響較后者大，所以整體表現(xiàn)為250℃時(shí)CO含量較高