Question

【題目】除去水蒸氣后的水煤氣主要含H2、CO、CO2及少量的H2S、CH4，繼續除去H2S后，可采用催化或非催化轉化技術，將CH4轉化成CO，得到CO、CO2和H2的混合氣體，是理想的合成甲醇原料氣。

（1）制水煤氣的主要化學反應方程式為：C(s)+H2O(g) CO(g)+H2(g)，此反應是吸熱反應。

① 此反應的化學平衡常數表達式為________；

② 下列能增大碳的轉化率的措施是________ 。

A．加入C（s） B．加入H2O（g） C．升高溫度 D．增大壓強

（2）將CH4轉化成CO，工業上常采用催化轉化技術，其反應原理為：CH4(g) +3/2O2(g) CO(g) + 2H2O(g) △H=－519kJ/mol。工業上要選擇合適的催化劑，分別對X、Y、Z三種催化劑進行如下實驗（其他條件相同）

①X在750℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×105倍；

②Y在600℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×105倍；

③Z在440℃時催化效率最高，能使逆反應速率加快約1×106倍；

根據上述信息，你認為在生產中應該選擇的適宜催化劑是_______（填“X”或“Y”或“Z”），選擇的理由是_______。

（3）合成氣合成甲醇的主要反應是：2H2(g)+CO(g) CH3OH（g）△H=－90.8kJ·mol－1 T℃時，此反應的平衡常數為160，此溫度下，在密閉容器中開始只加入CO、H2，反應10min后測得各組分的濃度如下：

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

① 該時間段內反應速率v(H2)=______ mol·L－1·min－1。

② 此時，正、逆反應速率的大小：v正______v逆（填“＞”、“＜”或“＝”）

（4）生產過程中，合成氣要進行循環，其目的是____________。

（5）甲醇可制成新型燃料電池，總反應為：2CH3OH+3O2 + 4KOH=2K2CO3+6H2O該電池負極的電極反應式為______。

Answer 1

【答案】K=c(CO)×c(H2)/c(H2O) BC Z 催化效率高且活性溫度低（或催化活性高、速度快，反應溫度低） 0.08 ＞ 提高原料利用率（或提高產量、產率也可） CH3OH﹣6e- +8OH﹣=CO32- +6H2O

【解析】

(1)C(s)＋H2O(g)CO(g)＋H2(g)的平衡常數表達式為K=c(CO)c(H2)/c(H2O)。增大C的轉化率，需要使平衡向正反應方向移動。

A、C為固體，增加C的量對平衡移動無影響，故A不選；

B、加入H2O(g)平衡向正反應方向移動，C的轉化率增大，故B選；

C、正反應為吸熱反應，升高溫度，平衡向正反應方向移動，故C選；

D、增大壓強，平衡向逆反應方向移動，故D不選。

綜上所述，本題應選BC；

(2)催化劑對正逆反應速率的改變程度是相同的，Z對反應速率的影響最大，催化效率高，且活性溫度最低，有利于提高經濟效益。

(3) ①由表中數據可以知道, 10min內甲醇的濃度變化量為0.4mol·L－1,根據方程式2H2(g)+CO(g) CH3OH（g）可知氫氣的濃度變化量為0.4mol·L－1×2=0.8mol·L－1,所以v(H2)= 0.8mol·L－1÷10min=0.08 mol·L－1·min－1;

②由表中數據可以知道,此時的濃度商Qc=0.4/(0.22×0.1)=100,小于平衡常數160,故反應向正反應方向進行,所以v正＞v逆;
(4)該反應為可逆反應,氫氣和一氧化碳都不能完全反應,為提高原料利用率,把甲醇分離出后,把原料氣再循環利用;
(5)在甲醇燃料電池中，電池正極通入氧氣，氧元素化合價降低，得到電子，電極反應為：2H2O+O2+4e-=4OH-；電池負極通入甲醇，失去電子，電極反應可根據總反應2CH3OH+3O2 + 4KOH=2K2CO3+6H2O與正極反應相減得負極反應為CH3OH﹣6e- +8OH﹣=CO32- +6H2O。