Question

（本題共8分）
水煤氣法制甲醇工藝流程框圖如下

(注:除去水蒸氣后的水煤氣含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轉化技術，將CH₄轉化成CO，得到CO、CO₂和H₂的混合氣體，是理想的合成甲醇原料氣，即可進行甲醇合成)
（1）制水煤氣的主要化學反應方程式為：C（s）+H₂O（g）CO（g）+H₂（g），此反應是吸熱反應。①此反應的化學平衡常數(shù)表達式為                     ；
②下列能提高碳的平衡轉化率的措施是                     。

A．加入C（s）

B．加入H2O（g）

C．升高溫度

D．增大壓強

（2）將CH₄轉化成CO，工業(yè)上常采用催化轉化技術，其反應原理為：
CH₄ (g)+3/2O₂ (g)CO (g)+2H₂O (g) +519KJ。工業(yè)上要選擇合適的催化劑，分別對X、Y、Z三種催化劑進行如下實驗（其他條件相同）
① X在T₁℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×10⁵倍；
② Y在T₂℃時催化效率最高，能使正反應速率加快約3×10⁵倍；
③ Z在T₃℃時催化效率最高，能使逆反應速率加快約1×10⁶倍；
已知：T₁＞T₂＞T₃，根據上述信息，你認為在生產中應該選擇的適宜催化劑是     （填“X”或“Y”或“Z”），選擇的理由是                                         。
（3）合成氣經壓縮升溫后進入10m³甲醇合成塔，在催化劑作用下，進行甲醇合成，主要反應是：2H₂(g) + CO(g) CH₃OH(g)+181.6kJ。T₄℃下此反應的平衡常數(shù)為160。此溫度下，在密閉容器中加入CO、H₂，反應到某時刻測得各組分的濃度如下：

物質	H2	CO	CH3OH
濃度/（mol·L－1）	0.2	0.1	0.4

①比較此時正、逆反應速率的大�。�v_正        v_逆（填“>”、“<”或“＝”)。
②若加入同樣多的CO、H₂，在T₅℃反應，10 min后達到平衡，此時c(H₂)＝0.4 mol·L^－1、c(CO)＝0.7 mol·L^－1、則該時間內反應速率v(CH₃OH) ＝            mol·(L·min)^－1。
（4）生產過程中，合成氣要進行循環(huán)，其目的是                                  。

Answer 1

（1）①；                 ②BC(2分)
（2）Z，催化效率高且活性溫度低（或催化活性高速度快，反應溫度低產率高）
（3）① >  ②0.03 mol·L^－1·min^－1。
（4）提高原料CO、H₂的利用率（或提高產量、產率亦可）。

（1）①平衡常數(shù)是指在一定條件下，可逆反應達到平衡狀態(tài)時，生成物濃度的冪之積和反應物濃度的冪之積的比值，因此平衡常數(shù)表達式為。
②碳是固體，增加碳的質量平衡不移動。增大水蒸氣的濃度，平衡向正反應方向移動，碳的轉化率增大。正反應是吸熱反應，升高溫度，平衡向正反應方向移動，轉化率增大。反應是體積增大的，所以增大壓強，平衡向逆反應方向移動，轉化率降低，所以正確的答案選BC。
（2）由于反應是放熱反應，而Z催化效率高且活性溫度低，所以應該選擇Z。
（3）①根據表中數(shù)據可知，此時＞160，所以正反應速率大于逆反應速率。
②設通入的氫氣和CO得失y，生成甲醇的濃度是x，則y－2x＝0.4mol/L，y－x＝0.7mol/L，解得x＝0.3mol/L，因此甲醇的反應速率是0.03 mol·L^－1·min^－1。
（4）生產過程中，合成氣要進行循環(huán)，其目的是提高原料CO、H₂的利用率.