Question

14．二氧化碳的捕集、利用與封存（CCUS）是我國(guó)能源領(lǐng)域的一個(gè)重要戰(zhàn)略方向，CCUS或許發(fā)展成一項(xiàng)重要的新興產(chǎn)業(yè)．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1
反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g） 的△H=a+2b-2ckJ•mol^-1．
（2）利用廢氣中的CO₂為原料制取甲醇，反應(yīng)方程式為：CO₂+3H₂═CH₃OH+H₂O其他條件相同，該甲醇合成反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時(shí)間后，CO₂的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖1所示．
①a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是（填“是”或“不是”）平衡狀態(tài)．
②c點(diǎn)CO₂的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn)，原因是b、c點(diǎn)都未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率快，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較大．

（3）在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，隨著甲醇的生成，還伴隨有少量CO副產(chǎn)物出現(xiàn)：CO₂+H₂?CO+H₂O，且CO₂的轉(zhuǎn)化率、甲醇的產(chǎn)率和CO含量除受濃度、度、壓強(qiáng)等因素影響外，還受催化劑CuO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣體混合物在反應(yīng)鍋爐內(nèi)的流動(dòng)速率影響（用空間流率表示）．通過(guò)實(shí)驗(yàn)分別得到數(shù)據(jù)圖2、3：
①由圖2得，最佳空間流率為3600h^-1；
②在其他條件不變的前提下調(diào)整催化劑配比，并記錄到達(dá)平衡所需的時(shí)間，得到如如表數(shù)據(jù)，試說(shuō)明不選擇單組份ZnO原因是使用單組分ZnO時(shí)反應(yīng)速率雖然快，但是由圖3可知，二氧化碳轉(zhuǎn)化率、甲醇的產(chǎn)率都過(guò)低，實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有意義，故不采用．

催化劑組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)（%）	CuO	0	25	50	75	100
	ZnO	100	75	50	25	0
到達(dá)平衡所需時(shí)間（h）		2.5	7.4	8.1	12	無(wú)催化活性

（4）用二氧化碳催化加氫來(lái)合成低碳烯烴，起始時(shí)以0.1MPa，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比充入反應(yīng)器中，發(fā)生反應(yīng)：2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，不同溫度下平衡時(shí)的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量如圖4所示：
①該進(jìn)行的反應(yīng)的△S＜0（填：“＞”或“＜”）
②對(duì)于氣體反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強(qiáng)（p_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），則該反應(yīng)的K_P=$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）•{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）•{p}^{6}（{H}_{2}）}$．
③為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)；提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值（列舉2項(xiàng)）．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1，①+②×2-2×③可以得到反應(yīng)反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），據(jù)蓋斯定律來(lái)計(jì)算反應(yīng)的焓變；
（2）①催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡；
②b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，升高溫度，化學(xué)反應(yīng)速率加快，CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
（3）圖象分析生產(chǎn)甲醇的氣體最佳流動(dòng)速率，二氧化碳轉(zhuǎn)化率最大，甲醇產(chǎn)量最大；使用單組份ZnO時(shí)反應(yīng)速率雖然最快，但是由圖可知，CO₂轉(zhuǎn)化率、CH₃OH產(chǎn)率均過(guò)低；
（4）①反應(yīng)是氣體系數(shù)和減小的反應(yīng)，則熵變小于零；
②Kp等于各產(chǎn)物平衡壓強(qiáng)系數(shù)次方的乘積和各個(gè)反應(yīng)物平衡濃度系數(shù)次方的乘積的比值；
③為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，使得化學(xué)平衡正向移動(dòng)即可．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1，①+②×2-2×③可以得到反應(yīng)反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），據(jù)蓋斯定律來(lái)計(jì)算反應(yīng)的焓變△H=（a+2b-2c）kJ•mol^-1；故答案為：a+2b-2c；
（2）①催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學(xué)平衡，所以最終不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達(dá)平衡時(shí)CO₂的轉(zhuǎn)化率相同，故a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，故答案為：不是；
②b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度比b點(diǎn)高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
故答案為：b、c點(diǎn)都未達(dá)到平衡狀態(tài)，c點(diǎn)溫度高，反應(yīng)速率快，二氧化碳的轉(zhuǎn)化率較大；
（3）①圖象分析生產(chǎn)甲醇的氣體最佳流動(dòng)速率，二氧化碳轉(zhuǎn)化率最大，甲醇產(chǎn)量最大，分析圖象數(shù)據(jù)可知最佳流動(dòng)速率在3600以上都可以；故答案為：3600；
②使用單組份ZnO時(shí)反應(yīng)速率雖然最快，但是由圖可知，CO₂轉(zhuǎn)化率、CH₃OH產(chǎn)率均過(guò)低實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有意義，故不采用；
故答案為：使用單組分ZnO時(shí)反應(yīng)速率雖然快，但是由圖3可知，二氧化碳轉(zhuǎn)化率、甲醇的產(chǎn)率都過(guò)低，實(shí)際生產(chǎn)中沒(méi)有意義，故不采用．
（4）①反應(yīng)是氣體系數(shù)和減小的反應(yīng)，則熵變小于零，則△S＜0，故答案為：＜；
②對(duì)于氣體反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強(qiáng)（p_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），則該反應(yīng)的Kp等于各產(chǎn)物平衡壓強(qiáng)系數(shù)次方的乘積和各個(gè)反應(yīng)物平衡濃度系數(shù)次方的乘積的比值，即K_P=$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）•{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）•{p}^{6}（{H}_{2}）}$，故答案為：$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）•{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）•{p}^{6}（{H}_{2}）}$；
③提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強(qiáng)或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值，故答案為：增大壓強(qiáng)；提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值．

點(diǎn)評(píng) 本題考查了化學(xué)平衡的影響、熱化學(xué)方程式的計(jì)算應(yīng)用，圖象分析是關(guān)鍵，題目難度中．