Question

1．水煤气法制甲醇工艺流程框图如图：

已知：除去水蒸气后的水煤气含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转化技术，将CH₄转化成CO，得到CO、CO₂和H₂的混合气体，是理想的合成甲醇原料气，即可进行甲醇合成．
（1）制水煤气的主要化学反应方程式为C（s）+H₂O（g）?CO（g）+H₂（g），此反应是吸热反应．
①此反应的化学平衡常数表达式为$\frac{[CO]•[{H}_{2}]}{[{H}_{2}O]}$；
②下列能提高碳的平衡转化率的措施是BC．
A加入C（s）            B．加入H₂O（g）            C．升高温度             D．增大压强
（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CH₄（g）+$\frac{3}{2}$O₂（g）?CO（g）+2H₂O（g）△H=-519kJ．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T₁℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
②Y在T₂℃时催化效率最高，能使正反应速率加快约3×10⁵倍；
③Z在T₃℃时催化效率最高，能使逆反应速率加快约1×10⁶倍；
已知：T₁＞T₂＞T₃，根据上述信息，你认为在生产中应该选择的适宜催化剂是Z（填“X”或“Y”或“Z”），选择的理由是催化活性高、速度快、反应温度较低．
（3）合成气经压缩升温后进入10m³甲醇合成塔，在催化剂作用下，进行甲醇合成，主要反应是：2H₂（g）+CO（g）?CH₃OH（g）△H=-181.6kJ．4℃下此反应的平衡常数为160．此温度下，在密闭容器中加入CO、H₂，反应到某时刻测得各组分的浓度如下：

物质	H2	CO	CH3OH
浓度/mol•L-1	0.2	0.1	0.4

①比较此时正、逆反应速率的大小：v_正＞v_逆（填“＞”、“＜”或“=”）．
②若加入同样多的CO、H₂，在T₅℃反应，10min后达到平衡，此时c（H₂）=0.4mol•L^-1，则该时间内反应速率v（CH₃OH）=0.03mol•L^-1•min^-1．
（4）生产过程中，合成气要进行循环，其目的是提高原料利用率（或提高产量、产率亦可）．

Answer 1

分析 （1）①根据平衡常数等于生成物浓度的幂次方之积比上反应物浓度的幂次方之积；
②根据平衡向正反应方向移动，增大碳的转化率；
（2）该反应正反应为放热反应，应选择催化活性高、速度快、反应温度较低；
（3）①计算此时的浓度商Qc，与平衡常数比较，判断反应进行的方向，据此解答；
②根据氢气的浓度计算甲醇的浓度变化量，再根据v=$\frac{△c}{△t}$计算v（H₂）；
（4）合成气进行循环，可以提高原料利用率．

解答 解：（1）①此反应的化学平衡常数表达式为，K=$\frac{[CO]•[{H}_{2}]}{[{H}_{2}O]}$；故答案为：$\frac{[CO]•[{H}_{2}]}{[{H}_{2}O]}$；
②平衡向正反应方向移动，增大碳的转化率，所以A、加入C（s）平衡不移动，B、加入H₂O（g），C、升高温度，平衡向正反应方向移动，碳的转化率增大，D、增大压强，平衡向逆反应方向移动；故选：BC； 
（2）该反应正反应为放热反应，应选择催化活性高、速度快、反应温度较低，故选择Z，
故答案为：Z；催化活性高、速度快、反应温度较低；
（3）①由表中数据可知，10min时氢气的浓度为0.2mol/L、CO的浓度为0.1mol/L、甲醇的浓度为0.4mol/L，则此时的浓度商Qc=$\frac{0.4}{0．{2}^{2}×0.1}$=100，小于平衡常数160，故反应向正反应方向进行，故V_正＞V_逆，故答案为：＞；
②由表中数据可知，c（H₂）=0.4mol•L^-1，l0min内甲醇的浓度变化量为0.3mol/L，故v（CH₃OH）=$\frac{0.3mol/L}{10min}$=0.03mol/（L•min），
故答案为：0.03；
（4）生产过程中，合成气要进行循环，这样可以提高原料利用率，故答案为：提高原料利用率（或提高产量、产率亦可）．

点评 本题考查化学平衡常数、化学平衡影响因素、反应速率计算等，难度中等，注意理解掌握平衡常数的用途．