Question

除去杂质后的水煤气主要含H₂、CO，是理想的合成甲醇的原料气。
（1）生产水煤气过程中有以下反应：①C(s)+CO₂₍g)2CO(g)  △H₁；
②CO(g)+H₂O(g)H₂(g)+CO₂(g)  △H₂；③C(s)+H₂O(g)CO(g)+H₂(g)  △H₃；
上述反应△H₃与△H₁、△H₂之间的关系为                       。
（2）将CH₄转化成CO，工业上常采用催化转化技术，其反应原理为：2CH₄(g)＋3O₂(g)4CO(g)＋4H₂O(g)   △H=－1038kJ/mol。工业上要选择合适的催化剂，分别对X、Y、Z三种催化剂进行如下实验（其他条件相同）：
①X在750℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
②Y在600℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
③Z在440℃时催化效率最高，能使逆反应速率加快约1×10⁶倍；
根据上述信息，你认为在生产中应该选择的适宜催化剂是      （填“X”或“Y”或“Z”），选择的理由是                                                      ；
（3）请在答题卡中，画出（2）中反应在有催化剂与无催化剂两种情况下反应过程中体系能量变化示意图，并进行必要标注。
（4）合成气合成甲醇的主要反应是：2H₂(g)+CO(g)CH₃OH(g) △H=－90.8kJ·mol^－1，T℃下此反应的平衡常数为160。
此温度下，在密闭容器中开始只加入CO、H₂，反应10min后测得各组分的浓度如下：

物质	H2	CO	CH3OH
浓度/（mol·L－1）	0.20	0.10	0.40

 
①该时间段内平均反应速率v(H₂)=                       。
②比较此时正、逆反应速率的大小：v(正)      v (逆)（填“＞”、“＜”或“＝”）
（5）生产过程中，合成气要进行循环，其目的是                                 。

Answer 1

（16分）
（1）△H₃=△H₁+△H₂（2分）
（2）Z（2分） 催化效率高且活性温度低，节能（或催化活性高、速度快，反应温度低）（3分）
（3）画图如下（3分）：

（4）①0.080 mol·L^－1·min^－1 （2分）   ②＞（2分）
（5）提高原料利用率（或提高产量、产率也可）（2分）

解析试题分析：（1）观察3个热化学方程式，发现①+②=③，根据盖斯定律，△H₃=△H₁+△H₂；（2）正反应是放热反应，升高温度平衡向逆反应方向移动，不利于甲烷转化为CO，因此选择Z催化剂，因为催化效率高且活性温度低，节能（或催化活性高、速度快，反应温度低）；（3）画图要点：反应物的总能量高于生成物的总能量；无催化剂时正、逆反应的活化能较高；催化剂能降低正、逆反应的活化能，对焓变、反应物或生成物的总能量无影响，有催化剂时正、逆反应的活化能较低；标注反应物、生成物、△H、无催化剂、有催化剂；（4）①先用定义式求v(CH₃OH)，再用系数之必等于速率之比求v(H₂)，即v(CH₃OH)=△c(CH₃OH)/△t=(0.40—0)mol/L÷10min=0.040mol/(L?min)，由于v(H₂)/v(CH₃OH)=2/1，则v(H₂)=2v(CH₃OH)= 0.080mol/(L?min)，保留两位有效数字；②此时c(CH₃OH)/[ c²(H₂)?c(CO)]=0.40/[0.20²×0.10]=100，由于100<K=160，为了能达到该温度下的平衡常数，说明该反应向正反应方向进行，即v(正)> v(逆)；（5）合成气循环利用的目的是提高原料利用率(或提高产量、产率也可)。
考点：考查化学反应原理，涉及盖斯定律、催化剂的选择及解释原因、有无催化剂时体系能量变化示意图、平均反应速率的计算、化学平衡常数的应用、循环利用合成气的目的等。