Question

（16分）甲醇合成反应为：CO(g)+2H₂(g) CH₃OH（g）。工业上用天然气为原料，分为两阶段：

Ⅰ、制备合成气：

用天然气和水制取原料气的方程式为：                     。

原料气中常添加CO₂以解决合成气中H₂过量CO不足问题，请用方程式解释原因                      。为了使合成气配比最佳，理论上原料气中甲烷与二氧化碳体积比为_________。

Ⅱ、合成甲醇：

（1）反应过程中物质能量变化如图所示。写出合成甲醇的热化学方程式____。

实验室在1L密闭容器中进行模拟合成实验。将1molCO和2molH₂通入容器中，分别恒温在300⁰C和500⁰C反应，每隔一定时间测得容器中甲醇的浓度如下：

	10min	20min	30min	40min	50min	60min
300^0C	0.40	0.60	0.75	0.84	0.90	0.90
500^0C	0.60	0.75	0.78	0.80	0.80	0.80

（2）在300⁰C反应开始10分钟内，H₂的平均反应速率_____________。

（3）500⁰C平衡常数K=___________。

（4）在另一体积不变的容器中，充入1.2molCO和2.0molH₂，一定条件下达到平衡，测得容器内压强为起始的一半。计算该条件下H₂转化率为         。

Answer

Ⅰ、CH4+H2O(g) CO+3H2，（2分） CO2+H2CO+H2O。（2分） 3:1 （2分）

Ⅱ.（1）CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH=(a-b)kJ/mol [ΔH=-(b-a)kJ/mol （3分）

（2） 0.080mol/(L·min) （2分） （3） 25 （2分） （4） 80% （3分）

【解析】

试题分析：Ⅰ、制备合成气：

天然气的主要成分是甲烷，则用天然气和水制取原料气的方程式为CH4+H2O(g) CO+3H2。由于在一定条件下CO2能与氢气反应生成CO和水，即CO2+H2CO+H2O，所以原料气中常添加CO2以解决合成气中H2过量CO不足问题。CO和氢气按照1：2混合时恰好反应生成甲醇，为了使合成气配比最佳，可设甲烷的物质的量是x，CO2是y。甲烷产生的CO和氢气分别是x和3x，CO2消耗的氢气和产生的CO均是y，则有，解得x：y＝3：1。

Ⅱ、合成甲醇：

（1）反应过程中物质能量变化如图所示，根据图像可知反应放出的能量是bkJ—akJ，则合成甲醇的热化学方程式为CO(g)＋2H2(g) CH3OH(g) ΔH=—(b-a)kJ/mol。

（2）在3000C反应开始10分钟内生成甲醇的物质的量浓度是0.4mol/L，则根据方程式CO(g)+2H2(g) CH3OH（g）可知消耗氢气的浓度是0.8mol/L，所以H2的平均反应速率＝0.8mol/L÷10min＝0.080mol/(L·min)。

（3）5000C时反应进行到40min时达到平衡状态，产生甲醇是0.8mol/L，则消耗CO和氢气的浓度分别是0.8mol/L和1.6mo/L，则平衡时CO和氢气的浓度分别是0.2mol/L和0.4mol/L。根据化学平衡常数是在一定条件下，当可逆反应达到平衡状态时，生成物浓度的幂之积和反应物浓度的幂之积的比值可知500℃时平衡常数K=。

（4） CO(g)+2H2(g) CH3OH（g）

起始量（mol） 1.2 2 0

转化量（mol） x 2x x

平衡量（mol）1.2-x 2—2x x

所以根据平衡时容器内压强为起始的一半可知

解得x＝0.8mol

因此氢气的转化率是

考点：考查可逆反应平衡状态的有关计算