Question

【題目】甲醇與水蒸氣重整制氫可直接用于燃料電池。回答下列問題：

（1）已知甲醇分解反應：CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) △H1=+90.64 kJ/mol

水蒸氣變換反應：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) △H2=-41.20 kJ/mol

則CH3OH(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g) △H3=____________kJ/mol

（2）科學家通過密度泛函理論研究甲醇與水蒸氣重整制氫反應機理時，得到甲醇在Pd(Ⅲ)表面發生解離時四個路徑與相對能量關系如圖所示，其中附在Pd(Ⅲ)表面的物種用*標注。此歷程中活化能最小的反應方程式為________________________________________________。

（3）在0.1MPa下，將總進料量1mol且n(CH3OH)：n(H2O)=1：1.3的混合氣體充入一剛性密閉容器中反應。

①實驗測得水煤氣變換反應的速率隨溫度的升高明顯下降，原因是_____________。

②平衡時，測得CH3OH的含量在給定溫度范圍內極小，H2、H2O(g)、CO、CO2四種組分含量與反應溫度關系如圖所示，a、c曲線對應物質的化學式分別為_______________、______________。

（4）573.2K時，向一剛性密閉容器中充入5.00 MPa CH3OH使其分解，t h后達平衡時H2的物質的量分數為60%，則t h內v(CH3OH)=_____________MPa/h，其平衡常數分壓Kp=_________。

Answer 1

【答案】+49.44 CH2O*+2H*=CHO*+3H* (或CH2O*=CHO*+H*) 隨著溫度升高，催化劑活性降低 H2 H2O 168.75(MPa)2

【解析】

（1）甲醇分解反應：CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) △H1=+90.64 kJ/mol ①

水蒸氣變換反應：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) △H2=-41.20 kJ/mol ②

將①+②，即可求出CH3OH(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g)的△H3

（2）活化能為反應物的總能量與過渡態能量之差，從圖中可以看出，過渡態3發生的反應活化能最小。

（3）①實驗測得水煤氣變換反應的速率隨溫度的升高明顯下降，若從溫度對反應速率的影響考慮，溫度升高，則反應速率加快，顯然另有原因，只能從催化劑方面尋找原因。

②對于反應CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) △H<0，其他條件不變時，升高溫度，平衡向左移動，即CO、H2O的含量均增大，CO2、H2的含量均減小。讀圖，可初步得知，a、b曲線分別對應CO2或H2，c、d曲線則對應CO或H2O(g)。根據反應方程式可知:該反應起始時，n(H2)>n(CO2)、n(H2O)>n(CO)，平衡時含量必然有H2>CO2、H2O>CO。故a、b、c、d曲線分別對應H2、CO2、H2O(g)、CO。

（4）假設CH3OH的壓強變化量為x

，x=3.75Mpa，v(CH3OH)=；Kp=，代入數據即可求得結果。

(1)甲醇分解反應：CH3OH(g) CO(g)+2H2(g) △H1=+90.64 kJ/mol ①

水蒸氣變換反應：CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) △H2=-41.20 kJ/mol ②

將①+②，即可求出CH3OH(g)+H2O(g) CO2(g)+3H2(g) △H3=+90.64 kJ/mol+(-41.20 kJ/mol)=+49.44 kJ/mol。答案為：+49.44；

(2) 活化能為反應物的總能量與過渡態能量之差，從圖中可以看出，過渡態3發生的反應活化能最小。反應物為“CH2O*+2H*”，產物為“CHO*+3H*，故反應方程式為CH2O*+2H*=CHO*+3H*。因為2H*反應前后都吸附在催化劑表面，未參與反應，故反應實質為CH2O*=CHO*+H*。答案為：CH2O*+2H*=CHO*+3H* (或CH2O*=CHO*+H*)；

(3)①因為溫度升高，反應速率應加快，而圖中速率減小，顯然不是溫度的影響，只能為催化劑的活性降低。答案為：隨溫度升高，催化活性降低；

②對于反應CO(g)+H2O(g) CO2(g)+H2(g) △H<0，其他條件不變時，升高溫度，平衡向左移動，即CO、H2O的含量均增大，CO2、H2的含量均減小。依據圖中信息，可初步得知，a、b曲線分別對應CO2或H2，c、d曲線則對應CO或H2O(g)。根據反應方程式可知：該反應起始時，n(H2)>n(CO2)、n(H2O)>n(CO)，平衡時含量必然有H2>CO2、H2O>CO。故a、b、c、d曲線分別對應H2、CO2、H2O(g)、CO。答案為：H2；H2O；

(4) 假設CH3OH的壓強變化量為x

，x=3.75MPa，v(CH3OH)=MPa/t；Kp==168.75(MPa)2。

答案為：；168.75(MPa)2。