Question

1．水煤氣法制甲醇工藝流程框圖如圖：

已知：除去水蒸氣后的水煤氣含55～59%的H₂，15～18%的CO，11～13%的CO₂，少量的H₂S、CH₄，除去H₂S后，可采用催化或非催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，將CH₄轉(zhuǎn)化成CO，得到CO、CO₂和H₂的混合氣體，是理想的合成甲醇原料氣，即可進(jìn)行甲醇合成．
（1）制水煤氣的主要化學(xué)反應(yīng)方程式為C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），此反應(yīng)是吸熱反應(yīng)．
①此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為$\frac{[CO]•[{H}_{2}]}{[{H}_{2}O]}$；
②下列能提高碳的平衡轉(zhuǎn)化率的措施是BC．
A加入C（s）            B．加入H₂O（g）            C．升高溫度             D．增大壓強(qiáng)
（2）將CH₄轉(zhuǎn)化成CO，工業(yè)上常采用催化轉(zhuǎn)化技術(shù)，其反應(yīng)原理為CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）?CO（g）+2H₂O（g）△H=-519kJ．工業(yè)上要選擇合適的催化劑，分別對(duì)X、Y、Z三種催化劑進(jìn)行如下實(shí)驗(yàn)（其他條件相同）．
①X在T₁℃時(shí)催化效率最高，能使正反應(yīng)速率加快約3×10⁵倍；
②Y在T₂℃時(shí)催化效率最高，能使正反應(yīng)速率加快約3×10⁵倍；
③Z在T₃℃時(shí)催化效率最高，能使逆反應(yīng)速率加快約1×10⁶倍；
已知：T₁＞T₂＞T₃，根據(jù)上述信息，你認(rèn)為在生產(chǎn)中應(yīng)該選擇的適宜催化劑是Z（填“X”或“Y”或“Z”），選擇的理由是催化活性高、速度快、反應(yīng)溫度較低．
（3）合成氣經(jīng)壓縮升溫后進(jìn)入10m³甲醇合成塔，在催化劑作用下，進(jìn)行甲醇合成，主要反應(yīng)是：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-181.6kJ．4℃下此反應(yīng)的平衡常數(shù)為160．此溫度下，在密閉容器中加入CO、H₂，反應(yīng)到某時(shí)刻測(cè)得各組分的濃度如下：

物質(zhì)	H2	CO	CH3OH
濃度/mol•L-1	0.2	0.1	0.4

①比較此時(shí)正、逆反應(yīng)速率的大�。簐_正＞v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入同樣多的CO、H₂，在T₅℃反應(yīng)，10min后達(dá)到平衡，此時(shí)c（H₂）=0.4mol•L^-1，則該時(shí)間內(nèi)反應(yīng)速率v（CH₃OH）=0.03mol•L^-1•min^-1．
（4）生產(chǎn)過程中，合成氣要進(jìn)行循環(huán)，其目的是提高原料利用率（或提高產(chǎn)量、產(chǎn)率亦可）．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)平衡常數(shù)等于生成物濃度的冪次方之積比上反應(yīng)物濃度的冪次方之積；
②根據(jù)平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，增大碳的轉(zhuǎn)化率；
（2）該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，應(yīng)選擇催化活性高、速度快、反應(yīng)溫度較低；
（3）①計(jì)算此時(shí)的濃度商Qc，與平衡常數(shù)比較，判斷反應(yīng)進(jìn)行的方向，據(jù)此解答；
②根據(jù)氫氣的濃度計(jì)算甲醇的濃度變化量，再根據(jù)v=$\frac{△c}{△t}$計(jì)算v（H₂）；
（4）合成氣進(jìn)行循環(huán)，可以提高原料利用率．

解答 解：（1）①此反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)表達(dá)式為，K=$\frac{[CO]•[{H}_{2}]}{[{H}_{2}O]}$；故答案為：$\frac{[CO]•[{H}_{2}]}{[{H}_{2}O]}$；
②平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，增大碳的轉(zhuǎn)化率，所以A、加入C（s）平衡不移動(dòng)，B、加入H₂O（g），C、升高溫度，平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，碳的轉(zhuǎn)化率增大，D、增大壓強(qiáng)，平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)；故選：BC； 
（2）該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，應(yīng)選擇催化活性高、速度快、反應(yīng)溫度較低，故選擇Z，
故答案為：Z；催化活性高、速度快、反應(yīng)溫度較低；
（3）①由表中數(shù)據(jù)可知，10min時(shí)氫氣的濃度為0.2mol/L、CO的濃度為0.1mol/L、甲醇的濃度為0.4mol/L，則此時(shí)的濃度商Qc=$\frac{0.4}{0．{2}^{2}×0.1}$=100，小于平衡常數(shù)160，故反應(yīng)向正反應(yīng)方向進(jìn)行，故V_正＞V_逆，故答案為：＞；
②由表中數(shù)據(jù)可知，c（H₂）=0.4mol•L^-1，l0min內(nèi)甲醇的濃度變化量為0.3mol/L，故v（CH₃OH）=$\frac{0.3mol/L}{10min}$=0.03mol/（L•min），
故答案為：0.03；
（4）生產(chǎn)過程中，合成氣要進(jìn)行循環(huán)，這樣可以提高原料利用率，故答案為：提高原料利用率（或提高產(chǎn)量、產(chǎn)率亦可）．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡常數(shù)、化學(xué)平衡影響因素、反應(yīng)速率計(jì)算等，難度中等，注意理解掌握平衡常數(shù)的用途．