题目内容

【题目】以高纯H2为燃料的质子交换膜燃料电池具有能量效率高、无污染等优点,但燃料中若混有CO将显著缩短电池寿命。

(1)以甲醇为原料制取高纯H2是重要研究方向。甲醇水蒸气重整制氢主要发生以下两个反应:

主反应:CH3OH(g) + H2O(g) ==CO2(g) + 3H2(g) H = +49 kJmol1

副反应:H2(g) + CO2(g) ==CO(g) + H2O(g) H=+41 kJmol1

①甲醇蒸气在催化剂作用下裂解可得到H2CO,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) = 11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)。

(2)工业上用CH4与水蒸气在一定条件下制取H2,原理为:CH4(g) + H2O(g)=CO(g) + 3H2(g) ΔH = + 203 kJmol1

①该反应逆反应速率表达式为:v=kc(CO) c3(H2)k 为速率常数,在某温度下测得实验数据如表:

CO浓度(molL1)

H2浓度(molL1)

逆反应速率(molL1min1)

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_________L3mol3min1

②在体积为3 L的密闭容器中通入物质的量均为3 molCH4和水蒸气,在一定条件下发生上述反应,测得平衡时H2的体积分数与温度及压强的关系如图所示:则压强Pl_______P2(填大于小于);Nv_______Mv(填大于小于);求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1 mol CH41 mol CO,平衡_______移动(填正反应方向逆反应方向)。

【答案】CH3OH(g)CO(g)+2H2(g) ΔH = +90 kJ/mol 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 ×100 1.2×104 大于 小于 48 (mol/L)2 正反应方向

【解析】

(1)①根据盖斯定律计算所求反应的焓变,从压强和温度角度分析措施;

②适当增大水醇比[n(H2O)n(CH3OH)],可视为增大H2O的量,能使CH3OH转化率增大,生成更多的H2,抑制转化为CO的反应的进行;

③根据主反应方程式计算,平衡体系总压为各组分分压之和;

(2)①根据v=kc(CO)c3(H2)计算k的值;

②反应为气体分子数增多的反应,随着反应的进行,体系压强增大,增大压强不利于反应正向进行,反应为吸热反应,温度升高有利于反应正向进行,化学反应平衡时的正反应和逆反应速率相等;根据温度高、压强大使化学反应速率加快分析MN点速率大小;利用三段式计算平衡时各种物质的物质的量,结合容器的容积得到相应物质的平衡浓度,根据平衡常数表达式可得其平衡常数的数值。然后将加入1 mol CH41 mol CO加入反应体系,计算此时的Qc并与K比较,判断平衡移动的方向。

(1)①已知:①CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) H = +49 kJ/mol

H2(g)+CO2(g)CO(g)+H2O(g) H=+41kJ/mol

根据盖斯定律,反应可由①+②整理可得,CH3OH(g)CO(g)+2H2(g)H=H1+H2=+90kJ/mol;该反应为吸热反应,升高温度既能加快化学反应速率同时可以促使反应正向进行,提高CH3OH平衡转化率,而增大压强能加快化学反应速率,但对正反应不利,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高温度;

②适当增大水醇比[n(H2O)n(CH3OH)],可视为增大H2O的量,能使CH3OH转化率增大,生成更多的H2,抑制转化为CO的反应的进行,所以适当增大水醇比[n(H2O)n(CH3OH)]对甲醇水蒸气重整制氢的好处为:提高甲醇的利用率,有利于抑制CO的生成;

③主反应为:CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)n(H2O)n(CH3OH)=11的原料气充入恒容密闭容器中,初始压强为p1,反应达到平衡时总压强为p2

CH3OH(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g)

初始压强 0.5p1 0.5p1

转化压强 p p p 3p

平衡压强 0.5p1-p 0.5p1-p p 3p

所以可得p2=(0.5p1-p)+(0.5p1-p)+ p+3p=p1+2p,故p=,则平衡时甲醇的转化率为α=×100

(2)①根据v=kc(CO)c3(H2),由表中数据,c13=mol3/L3,则c2==0.2mol/L,所以k= L3mol3min1=1.2×104 L3mol3min1

②反应为气体分子数增多的反应,随着反应的进行,体系压强增大,增大压强不利于反应正向进行,所以压强p1大于p2MN都处于平衡状态,该点的正反应速率等于逆反应速率。由于温度:M>N,压强:M>N,升高温度或增大压强都会使化学反应速率加快,因此Nv<Mv

CH4(g)+H2O(g)CO(g)+3H2(g)

起始(mol) 3 3 0 0

转化(mol) -x -x x 3x

平衡(mol) 3-x 3-x x 3x

所以可得=60%,解得x=2,所以平衡时c(CH4)==mol/Lc(H2O)=mol/Lc(CO)=mol/Lc(H2)=2mol/L,则化学平衡常数为K==48mol2/L2

若平衡后再向容器中加入1 mol CH41 mol CO,则c(CH4)=mol/Lc(CO)=1mol/LQc=<K,所以化学平衡正向移动直至达到化学平衡。

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①包装:取滤纸制成滤纸筒,放入烘箱中干燥后,移至仪器X中冷却至室温,然后放入称量瓶中称量,质量记作a;在滤纸筒中包入一定质量研细的样品,放入烘箱中干燥后,移至仪器X中冷却至室温,然后放入称量瓶中称量,质量记作b。

②萃取:将装有样品的滤纸筒用长镊子放入抽提筒中,注入一定量的无水乙醚,使滤纸筒完全浸没入乙醚中,接通冷凝水,加热并调节温度,使冷凝下滴的无水乙醚呈连珠状,至抽提筒中的无水乙醚用滤纸点滴检查无油迹为止(大约6h~12h)。

③称量:萃取完毕后,用长镊子取出滤纸筒,在通风处使无水乙醚挥发,待无水乙醚挥发后,将滤纸筒放入烘箱中干燥后,移至仪器X中冷却至室温,然后放入称量瓶中称量,质量记作c。

回答下列问题:

(1)实验中三次使用的仪器X的名称为__________________。为提高乙醚蒸气的冷凝效果,索氏提取器可选用下列_______(填字母)代。

a.空气冷凝管 b.直形冷凝管 c.蛇形冷凝管

(2)实验中必须十分注意乙醚的安全使用,如不能用明火加热、室内保持通风等。为防止乙醚挥发到空气中形成燃爆,常在冷凝管上口连接一个球形干燥管,其中装入的药品为_______(填字母)。

a.活性炭 b.碱石灰 c.P2O5 d.浓硫酸

无水乙醚在空气中可能氧化生成少量过氧化物,加热时发生爆炸。检验无水乙醚中是否含有过氧化物的方法是______________________________________

(3)实验中需控制温度在70℃~80℃之间,考虑到安全等因素,应采取的加热方式是_______。当无水乙醚加热沸腾后,蒸气通过导气管上升,被冷凝为液体滴入抽提筒中,当液面超过回流管最高处时,萃取液即回流入提取器(烧瓶)中……该过程连续、反复、多次进行,则萃取液回流入提取器(烧瓶)的物理现象为_______。索氏提取法与一般萃取法相比较,其优点为___________________________

(4)数据处理:样品中纯脂肪百分含量_________(填“<”、“>”或“=”)(b-c)/(b-a)×100%;测定中的样品、装置、乙醚都需要进行脱水处理,否则导致测定结果__________(填“偏高”、“偏低”或“无影响”)。

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