Question

【題目】合成氨工業(yè)涉及固體燃料的氣化，需要研究CO2與CO之間的轉(zhuǎn)化。為了弄清其規(guī)律，讓一定量的CO2與足量碳在體積可變的密閉容器中反應(yīng)C(s)＋CO2(g)2CO(g)　ΔH，測(cè)得壓強(qiáng)、溫度對(duì)CO、CO2的平衡組成的影響如圖所示：

(1)p1、p2、p3的大小關(guān)系是_______，欲提高C與CO2反應(yīng)中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)采取的措施為___________________。圖中a、b、c三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)(用Ka、Kb和Kc表示)大小關(guān)系是____________________；

(2)900 ℃、1.013 MPa時(shí)，1 mol CO2與足量碳反應(yīng)達(dá)平衡后容器的體積為V，CO2的轉(zhuǎn)化率為__________，該反應(yīng)的平衡常數(shù)K＝________________。

(3)將(2)中平衡體系溫度降至640 ℃，壓強(qiáng)降至0.101 3 MPa，重新達(dá)到平衡后CO2的體積分?jǐn)?shù)為50%。條件改變時(shí)，正反應(yīng)和逆反應(yīng)速率如何變化？_________________，二者之間有何關(guān)系？__________________。

(4)CO2催化加氫也可轉(zhuǎn)化為CO，但同時(shí)會(huì)合成二甲醚，其過(guò)程中主要發(fā)生下列反應(yīng)：

反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g) ΔH＝41.2 kJ·mol－1

反應(yīng)Ⅱ：2CO2(g)＋6H2(g)=CH3OCH3(g)＋3H2O(g) ΔH＝－122.5 kJ·mol－1

在恒壓、CO2和H2的起始量一定的條件下，CO2平衡轉(zhuǎn)化率和平衡時(shí)CH3OCH3的選擇性隨溫度的變化如圖

其中：CH3OCH3的選擇性＝×100%

①溫度高于300 ℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是___________；

②220 ℃時(shí)，在催化劑作用下CO2與H2反應(yīng)一段時(shí)間后，測(cè)得CH3OCH3的選擇性為48%(圖中A點(diǎn))。不改變反應(yīng)時(shí)間和溫度，一定能提高CH3OCH3選擇性的措施有________________。

(5)水煤氣變換[CO(g)＋H2O(g)=CO2(g)＋H2(g)]是重要的化工過(guò)程，主要用于合成氨、制氫以及合成氣加工等工業(yè)領(lǐng)域中。我國(guó)學(xué)者結(jié)合實(shí)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)模擬結(jié)果，研究了在金催化劑表面上水煤氣變換的反應(yīng)歷程，如圖所示，其中吸附在金催化劑表面上的物種用*標(biāo)注。

可知水煤氣變換的ΔH_______0(填“大于”、“等于”或“小于”)。該歷程中最大能壘(活化能)E正＝_______eV，寫(xiě)出該步驟的化學(xué)方程式____________________。

Answer 1

【答案】p1＜p2＜p3 升高溫度、減小壓強(qiáng) Ka＝Kb＜Kc 66.7% 正反應(yīng)和逆反應(yīng)速率均減小 v(正)＜v(逆) 反應(yīng)Ⅰ的ΔH＞0，反應(yīng)Ⅱ的ΔH＜0，溫度升高使CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OCH3的平衡轉(zhuǎn)化率下降，且上升幅度超過(guò)下降幅度 增大壓強(qiáng)、使用對(duì)反應(yīng)Ⅱ催化活性更高的催化劑 小于 2.02 COOH*＋H*＋H2O*=COOH*＋2H*＋OH*

【解析】

(1)反應(yīng)C(s)+CO2(g)2CO(g)是氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，隨著反應(yīng)進(jìn)行，體系壓強(qiáng)增大，減小壓強(qiáng)有助于化學(xué)平衡正向移動(dòng)，化學(xué)平衡常數(shù)只隨溫度的改變而改變；

(2)900℃、1.013MPa時(shí)，平衡時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)為80%，計(jì)算CO2轉(zhuǎn)化的量，轉(zhuǎn)化率就是轉(zhuǎn)化的量與起始量比值的百分?jǐn)?shù)，將各組分的平衡濃度代入平衡常數(shù)表達(dá)式計(jì)算化學(xué)平衡常數(shù)；

(3)根據(jù)改變條件前后CO2的體積分?jǐn)?shù)的變化判斷，根據(jù)濃度商判斷化學(xué)反應(yīng)的方向；

(4)①溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是：反應(yīng)Ⅰ的△H＞0，反應(yīng)Ⅱ的△H＜0，升溫反應(yīng)Ⅰ正向進(jìn)行，反應(yīng)Ⅱ逆向進(jìn)行；

②不改變反應(yīng)時(shí)間和溫度，一定能提高CH3OCH3選擇性的條件，結(jié)合催化劑的選擇性分析；

(5)圖象分析可知水煤氣的生成過(guò)程經(jīng)過(guò)了過(guò)渡態(tài)1和過(guò)渡態(tài)2，最后生成產(chǎn)物的能量低于反應(yīng)物，正反應(yīng)是放熱的，結(jié)合圖示分析判斷，該歷程中最大能壘(活化能)E正，得到反應(yīng)的化學(xué)方程式。

(1)反應(yīng)C(s)+CO2(g)2CO(g)是氣體分子數(shù)增多的反應(yīng)，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，體系壓強(qiáng)增大，減小壓強(qiáng)有助于化學(xué)平衡正向移動(dòng)，表明低壓強(qiáng)對(duì)應(yīng)著高的CO體積分?jǐn)?shù)，則p1、p2、p3的大小關(guān)系是：p1＜p2＜p3；當(dāng)壓強(qiáng)相同時(shí)，溫度升高，CO的體積分?jǐn)?shù)增大，表明溫度升高化學(xué)平衡正向移動(dòng)，正反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，焓變△H＞0，則欲提高C與CO2反應(yīng)中CO2的平衡轉(zhuǎn)化率，應(yīng)采取的措施為：升高溫度、降低壓強(qiáng)；化學(xué)平衡常數(shù)只隨溫度的改變而改變，升高溫度，正反應(yīng)趨勢(shì)增大，化學(xué)平衡常數(shù)增大，則a、b、c三點(diǎn)對(duì)應(yīng)的平衡常數(shù)大小關(guān)系是：Ka=Kb＜Kc，故答案為：p1＜p2＜p3；升高溫度、降低壓強(qiáng)；Ka=Kb＜Kc；

(2)900℃、1.013MPa時(shí)，設(shè)反應(yīng)轉(zhuǎn)化的CO2的物質(zhì)的量為xmol，則平衡時(shí)n(CO)=2x，n(CO2)=1-x，平衡時(shí)CO的體積分?jǐn)?shù)為80%，則×100%=80%，解得：x=，則CO2的轉(zhuǎn)化率為α=×100%=66.7%；平衡時(shí)，c(CO)==，c(CO2)==，則該反應(yīng)的平衡常數(shù)K==，故答案為：66.7%；；

(3)反應(yīng)C(s)+CO2(g)2CO(g)是氣體分子數(shù)增大的吸熱反應(yīng)，降低壓強(qiáng)，升高溫度均有利于反應(yīng)正向進(jìn)行，將(2)中平衡體系溫度降至640℃，壓強(qiáng)降至0.1013 MPa，降低溫度、減小壓強(qiáng)，使正、逆反應(yīng)速率均減小，重新達(dá)到平衡后CO2的體積分?jǐn)?shù)為50%，設(shè)反應(yīng)轉(zhuǎn)化的CO2的物質(zhì)的量為ymol，則平衡時(shí)n(CO2)=1-y，n(CO)=2y，則有=50%，可得y=，可見(jiàn)重新達(dá)到平衡時(shí)，體系中CO含量降低，CO2含量升高，化學(xué)平衡向逆反應(yīng)方向移動(dòng)，所以v(正)＜v(逆)，故答案為：正反應(yīng)和逆反應(yīng)速率均減小；v(正)＜v(逆)；

(4)①溫度高于300℃，CO2平衡轉(zhuǎn)化率隨溫度升高而上升的原因是：反應(yīng)Ⅰ的△H＞0，反應(yīng)Ⅱ的△H＜0，溫度升高使CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OCH3的平衡轉(zhuǎn)化率下降，且上升幅度超過(guò)下降幅度，故答案為：反應(yīng)Ⅰ的△H＞0，反應(yīng)Ⅱ的△H＜0，溫度升高使CO2轉(zhuǎn)化為CO的平衡轉(zhuǎn)化率上升，使CO2轉(zhuǎn)化為CH3OCH3的平衡轉(zhuǎn)化率下降，且上升幅度超過(guò)下降幅度；

②反應(yīng)Ⅰ是反應(yīng)前后氣體體積不變的反應(yīng)，壓強(qiáng)對(duì)其無(wú)影響，反應(yīng)Ⅱ是2CO2(g)+6H2(g)=CH3OCH3(g)+3H2O(g)，增大壓強(qiáng)，利于反應(yīng)正向進(jìn)行，可以提高二甲醚的選擇性。兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)的存在，可以利用催化劑的選擇性，選擇合適的催化劑，提高二甲醚的選擇性，故答案為：增大壓強(qiáng)、使用對(duì)反應(yīng)Ⅱ催化活性更高的催化劑；

(5)圖象分析可知水煤氣的生成過(guò)程經(jīng)過(guò)了過(guò)渡態(tài)1和過(guò)渡態(tài)2，最后生成產(chǎn)物的能量低于反應(yīng)物，反應(yīng)的焓變小于0，結(jié)合圖示分析判斷，發(fā)生的過(guò)渡反應(yīng)：COOH*+H*+H2O*=COOH*+2H*+OH*，該歷程中能壘(活化能)最大，為E正=1.86eV-(-0.16eV)=2.02eV，故答案為：小于；2.02；COOH*+H*+H2O*=COOH*+2H*+OH*。