Question

【題目】“低碳經濟”備受關注，CO2的捕捉、排集、利用成為科學家研究的重要課題。太空艙產生的 CO2用下列反應捕捉，以實現 O2的循環(huán)利用。

Sabatier 反應：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)

水電解反應：2H2O(l)2H2(g)+O2(g)

(1)將原料氣按 n(CO2)∶ n(H2)=1∶4 置于密閉容器中發(fā)生 Sabatier 反應，測得H2O(g)的物質的量分數與溫度的關系如圖所示(虛線表示平衡曲線)。

①該反應的平衡常數 K 隨溫度升高而________(填“增大”或“減小”)。

②溫度過高或過低均不利于該反應的進行，原因是________。

③下列措施能提高 CO2 轉化效率的是________(填標號)。

A. 適當減壓

B. 增大催化劑的比表面積

C. 反應器前段加熱，后段冷卻

D. 提高原料氣中 CO2 所占比例

E. 合理控制反應器中氣體的流速

(2)將一定量的 CO2(g)和 CH4(g)通入一恒容密閉容器中發(fā)生反應：CO2(g)＋CH4(g)2CO(g)＋2H2(g) Δ H ＝＋248 kJ·mol－1。

為了探究該反應的反應速率與濃度的關系，起始時向恒容密閉容器中通入CO2 與CH4 ，使其物質的量濃度均為1.0mol·L－1，平衡時，根據相關數據繪制出兩條反應速率與濃度關系曲線如圖， v正～ c(CH4)和 v逆 ～ c(CO)。則與 v正～ c (CH4)相對應曲線是圖中________(填“甲”或“乙”)；該反應達到平衡后，某一時刻降低溫度反應重新達到平衡，則此時曲線甲對應的平衡點可能為________(填“D”“E”或“F”)。

(3)用稀氨水噴霧捕集 CO2最終可得產品NH4HCO3。在捕集時，氣相中有中間體 NH2COONH4(氨基甲酸銨)生成�，F將一定量純凈的氨基甲酸銨置于恒容密閉容器中，分別在不同溫度下進行反應：NH2COONH4(s) 2NH3(g)＋CO2 (g)。實驗測得的有關數據見下表( t1 < t2 < t3 )

氨基甲酸銨分解反應是________(填“放熱”或“吸熱”)反應。15℃時此反應的化學平衡常數 K ＝________。

(4)一種新的循環(huán)利用方案是用 Bosch 反應 CO2(g)+2H2(g) C(s)+2H2O(g)代替 Sabatier 反應。

① 已知 CO2(g)、H2O(g)的生成焓分別為–394 kJmol－1 、–242 kJmol－1 ，Bosch 反應的Δ H ＝________kJmol－1(生成焓指一定條件下由對應單質生成 1mol 化合物時的反應熱)。

②一定條件下 Bosch 反應必須在高溫下才能啟動，原因是________。

③該新方案的優(yōu)點是________。

Answer 1

【答案】減小 溫度過低，反應速率減�。粶囟冗^高，反應向右進行的程度小 BCE 乙 E 吸熱 4×10-6 -90 反應的活化能高 氫原子利用率為100%(或其它合理答案)

【解析】

(1)①根據圖知，當反應達到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質的量分數減小，說明平衡逆向移動；②溫度過低，化學反應速率慢；溫度過高，平衡逆向移動；③改變條件能使平衡正向移動，縮短轉化時間都能提高二氧化碳轉化效率，據此分析解答；

(2)根據圖象，甲的濃度是從0升高到0.4 mol/L，表示生成物，乙的濃度從1.0降低到0.8 mol/L，表示反應物，該反應的ΔH＞0，是吸熱反應，結合溫度對平衡的影響分析判斷；

(3)①根據表中溫度對生成氣體的總濃度的影響分析；根據表中數據求出NH2COONH4(s)2NH3(g)+CO2(g)平衡時的氣體濃度，在根據平衡常數K= c2(NH3)×c(CO2)計算；

(4)①Bosch反應的△H等于水的生成焓的二倍減去二氧化碳的生成焓；②從活化能角度分析解答；③對比Bosch 反應 CO2(g)+2H2(g) C(s)+2H2O(g)和 Sabatier 反應CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)分析解答。

(1)①根據圖知，當CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)達到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質的量分數減小，說明平衡逆向移動，所以化學平衡常數減小，故答案為：減小；

②溫度過低，化學反應速率太慢；溫度過高，平衡逆向移動，反應向右進行的程度減小，所以溫度過高或過低均不利于該反應的進行，故答案為：溫度過低，反應速率�。欢鴾囟冗^高，反應向右進行的程度小；

③A．適當減壓，CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)平衡逆向移動，二氧化碳轉化率減小，所以其轉化效率減小，故A錯誤；B．增大催化劑的比表面積，盡管平衡不移動，但增大了化學反應速率，縮短化學反應達到平衡的時間，能提高二氧化碳的轉化效率，故B正確；C．升高溫度，水的物質的量分數減小，說明平衡逆向移動，該反應為放熱反應，反應器前段加熱，能夠加快反應速率，后段冷卻，能夠使平衡正向移動，能提高CO2 轉化效率，故C正確；D．提高原料氣中CO2所占比例，盡管平衡正向移動，但二氧化碳轉化率減小，CO2 轉化效率降低，故D錯誤；E．合理控制反應器中氣體的流速，能夠使反應成分進行，能夠提高CO2 轉化效率，故E正確；故答案為：BCE；

(2)從圖象可知，甲的濃度是從0升高到0.4 mol/L，表示生成物CO的圖象，乙是濃度從1.0降低到0.8 mol/L，表示反應物CH4的圖象，該反應的Δ H＞0，是吸熱反應，降低溫度平衡向放熱方向移動，即向逆反應方向移動，生成物濃度減小，化學反應速率減小，E點符合，故答案為：乙；E；

(3)從表中數據可以看出，隨著溫度升高，氣體總濃度增大，平衡正向移動，則該反應為吸熱反應；根據反應的化學計量數的關系可知，c(NH3)=2c(CO2)，15℃時平衡體系的氣體總濃度為3×10-2 mol/L，即c(NH3)+c(CO2)=3×10-2 mol/L，得到c(NH3)=2×10-2 mol/L，c(CO2)=10-2 mol/L，則15℃時此反應的化學平衡常數K=c2(NH3)×c(CO2)=(2×10-2)2×10-2=4×10-6，故答案為：吸熱；4×10-6；

(4)①生成焓是指由單質生成1mol該物質所產生的反應熱，Bosch反應的△H等于水的生成焓的二倍減去二氧化碳的生成焓，則Bosch反應的△H=2×(-242kJmol-1)-(-394kJmol-1)=-90kJ/mol，故答案為：-90；

②斷裂二氧化碳和氫氣所需的能量較高，使得該反應所需的活化能較高，因此一定條件下Bosch反應必須在高溫下才能啟動，故答案為：反應的活化能高；

③對比Bosch 反應 CO2(g)+2H2(g) C(s)+2H2O(g)和 Sabatier 反應CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，Bosch 反應的優(yōu)點是氫原子利用率為100%，故答案為：氫原子利用率為100%。