Question

10．以高純H₂為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量效率高、無污染等優(yōu)點，但燃料中若混有CO將顯著縮短電池壽命．以甲醇為原料制取高純H₂是重要研究方向．
（1）甲醇在催化劑作用下裂解可得到H₂，氫元素利用率達(dá)100%，反應(yīng)的化學(xué)方程式為CH₃OH $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+2H₂，該方法的缺點是產(chǎn)物H₂中CO含量最高．
（2）甲醇水蒸氣重整制氫主要發(fā)生以下兩個反應(yīng)：
主反應(yīng)：CH₃OH（g）+H₂O（g）═CO₂（g）+3H₂（g）△H=+49kJ•mol^-1
副反應(yīng)：H₂（g）+CO₂（g）═CO（g）+H₂O（g）△H=+41kJ•mol^-1
①既能加快反應(yīng)速率又能提高CH₃OH平衡轉(zhuǎn)化率的一種措施是升高溫度．
②分析適當(dāng)增大水醇比（n_H2O：n_CH3OH）對甲醇水蒸氣重整制氫的好處提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成．
③某溫度下，將n_H2O：n_CH3OH=1：1的原料氣充入恒容密閉容器中，初始壓強為p₁，反應(yīng)達(dá)到平衡時總壓強為p₂，則平衡時甲醇的轉(zhuǎn)化率為（$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$-1）×100%．（忽略副反應(yīng)）
④工業(yè)生產(chǎn)中，單位時間內(nèi)，單位體積的催化劑所處理的氣體體積叫做空速[單位為m³/（m³催化劑•h），簡化為h^-1]．一定條件下，甲醇的轉(zhuǎn)化率與溫度、空速的關(guān)系如圖．空速越大，甲醇的轉(zhuǎn)化率受溫度影響越大．其他條件相同，比較230℃時1200h^-1和300h^-1兩種空速下相同時間內(nèi)H₂的產(chǎn)量，前者約為后者的3.2倍．（忽略副反應(yīng)，保留2位有效數(shù)字）
（3）甲醇水蒸氣重整制氫消耗大量熱能，科學(xué)家提出在原料氣中摻入一定量氧氣，理論上可實現(xiàn)甲醇水蒸氣自熱重整制氫．
已知：CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═CO₂（g）+2H₂（g）△H=-193kJ•mol^-1
則5CH₃OH（g）+4H₂O（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）═5CO₂（g）+14H₂（g）的△H=+3 kJ•mol^-1．

Answer 1

分析 （1）甲醇在催化劑作用下裂解可得到H₂，氫元素利用率達(dá)100%，反應(yīng)生成CO與氫氣；得到混合氣體中CO不易分離除去；
（2）①正反應(yīng)為氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于平衡正向移動，且增大反應(yīng)速率；
②增大水醇比，甲醇的利用率增大；
③恒溫恒容下，氣體的壓強之比等于其物質(zhì)的量之比，計算平衡時氣體的總物質(zhì)的量，再利用差量法計算參加反應(yīng)甲醇的物質(zhì)的量，進而計算甲醇的轉(zhuǎn)化率；
④由圖可知，空速越大，甲醇的轉(zhuǎn)化率受溫度影響越大；
由圖可知，230℃時1200h^-1和300h^-1兩種空速下甲醇的轉(zhuǎn)化率分別為75%、95%，氫氣的產(chǎn)量之比等于參加反應(yīng)甲醇的體積之比；
（3）已知：①．CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g））△H=+49 kJ•mol^-1
②．CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）△H=-193kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×4+②可得：5CH₃OH（g）+4H₂O（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?5CO₂（g）+14H₂（g）．

解答 解：（1）甲醇在催化劑作用下裂解可得到H₂，氫元素利用率達(dá)100%，反應(yīng)生成CO與氫氣，反應(yīng)方程式為：CH₃OH $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+2H₂；缺點是得到混合氣體中CO不易分離除去，產(chǎn)物H₂中CO含量最高，
故答案為：CH₃OH $\frac{\underline{\;高溫\;}}{\;}$CO+2H₂；產(chǎn)物H₂中CO含量最高；
（2）①正反應(yīng)為氣體體積增大的吸熱反應(yīng)，升高溫度增大反應(yīng)速率，有利于平衡正向移動，甲醇的轉(zhuǎn)化率增大，故答案為：升高溫度；
②增大水醇比（nH₂O：nCH₃OH），有利于反應(yīng)正向進行，提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成，故答案為：提高甲醇的利用率，有利于抑制CO的生成；
③設(shè)起始 n（H₂O）=n（CH₃OH）=1mol，恒溫恒容下，氣體的壓強之比等于其物質(zhì)的量之比，平衡時氣體的總物質(zhì)的量2mol×$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$，
CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g）物質(zhì)的量增大
1                                         2
（ $\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$-1）mol                       2mol×$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$-2mol=2（$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$-1）mol
故甲醇的轉(zhuǎn)化率為$\frac{（\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}-1）}{1mol}$×100%=（$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$-1）×100%，
故答案為：（$\frac{{P}_{2}}{{P}_{1}}$-1）×100%；
④由圖可知，空速越大，甲醇的轉(zhuǎn)化率受溫度影響越大；
由圖可知，230℃時1200h^-1和300h^-1兩種空速下甲醇的轉(zhuǎn)化率分別為75%、95%，氫氣的產(chǎn)量之比等于參加反應(yīng)甲醇的體積之比，故相同時間內(nèi)H₂的產(chǎn)量，前者約為后者的$\frac{1200×75%}{300×95%}$≈3.2倍，
故答案為：大；3.2；
（3）已知：①．CH₃OH（g）+H₂O（g）?CO₂（g）+3H₂（g））△H=+49 kJ•mol^-1
②．CH₃OH（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?CO₂（g）+2H₂（g）△H=-193kJ•mol^-1
根據(jù)蓋斯定律，①×4+②可得：5CH₃OH（g）+4H₂O（g）+$\frac{1}{2}$O₂（g）?5CO₂（g）+14H₂（g），則：△H=4×49 kJ•mol^-1-193kJ•mol^-1=+3kJ•mol^-1，
故答案為：+3．

點評 本題考查化學(xué)平衡計算與影響因素、反應(yīng)熱計算等，側(cè)重考查學(xué)生分析計算能力，注意蓋斯定律在反應(yīng)熱計算中應(yīng)用．