Question

【題目】CO2加氫可轉(zhuǎn)化為高附加值的CO、CH4、CH3OH等C1產(chǎn)物。該過程可緩解CO2帶來的環(huán)境壓力，同時(shí)可變廢為寶，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。CO2加氫過程，主要發(fā)生的三個(gè)競(jìng)爭(zhēng)反應(yīng)為：

反應(yīng)i：CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H=-49.01kJmol-1

反應(yīng)ii：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H=-165.0kJmol-1

反應(yīng)iii：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H=+41.17kJmol-1

回答下列問題：

（1）由CO、H2合成甲醇的熱化學(xué)方程式為_____。

（2）反應(yīng)iii為逆水煤氣變換反應(yīng)，簡(jiǎn)稱RWGS。以金屬催化劑為例，該反應(yīng)歷程的微觀示意和相對(duì)能量(eV)變化圖如圖所示(為催化劑，為C原子，為O原子，o為H原子）

歷程I：

歷程II：

歷程III：

①歷程1方框內(nèi)反應(yīng)的方程式為CO2*+*=CO*+O*(*為催化劑活性位點(diǎn)）。根據(jù)圖示，其反應(yīng)熱△H_____0(填“＞”或“<”)。

②反應(yīng)歷程II方框內(nèi)的方程式是_____。

③反應(yīng)歷程中_____（填“歷程I”、“歷程II”或“歷程III”）是RWGS的控速步驟。

（3）我國科學(xué)家研究了不同反應(yīng)溫度對(duì)含碳產(chǎn)組成的影響。在反應(yīng)器中按=3：1通入H2和CO2，分別在0.1MPa和1MPa下進(jìn)行反應(yīng)。試驗(yàn)中溫度對(duì)平衡組成C1(CO2、CO、CH4)中的CO和CH4的影響如圖所示（該反應(yīng)條件下甲醇產(chǎn)量極低，因此忽略“反應(yīng)i”)：

①1MPa時(shí)，表示CH4和CO平衡組成隨溫度變化關(guān)系的曲線分別是_____、_____。M點(diǎn)CO平衡組成含量高于N點(diǎn)的原因是_____。

②當(dāng)CH4和CO平衡組成為40%時(shí)，該溫度下反應(yīng)iii的平衡常數(shù)Kp為_____。

Answer 1

【答案】CO(g)+2H2(g)CH3OH(g) △H=-90.18kJmol-1 < O*+H*=OH*+* 歷程III a d 相同溫度下，增大壓強(qiáng)反應(yīng)II向正方向移動(dòng)，c(H2O）增大，使得反應(yīng)III向逆方向移動(dòng)，使得CO平衡組分降低 2.4

【解析】

(1)反應(yīng)i-反應(yīng)iii即可得CO、H2合成甲醇的熱化學(xué)方程式；

(2)①根據(jù)圖示△H=-0.75eV+0.37eV=-0.38eV＜0；

②根據(jù)圖示書寫方程式；

③根據(jù)圖示比較每一個(gè)過程的相對(duì)能量變化值大��；

(3)①根據(jù)平衡移動(dòng)進(jìn)行分析比較；
②設(shè)起始時(shí)n（CO2）=5mol，則n（H2）=15mol，根據(jù)圖象，當(dāng)CH4和CO平衡組成為40%時(shí)，則CO2平衡組成為20%，所以△n（CO）=5mol×40%=2mol，△n（CH4）=5mol×40%=2mol，則：反應(yīng)ii： ，

反應(yīng)iii：，

求出平衡時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量，帶入平衡常數(shù)K=進(jìn)行計(jì)算。

(1)反應(yīng)i反應(yīng)iii即可得CO、H2合成甲醇的熱化學(xué)方程式：CO(g)+2H2(g) =C H3OH(g)，計(jì)算焓變：△H=49kJmol141.17kJmol1=90.17kJmol1；

故答案為：CO(g)+2H2(g) =C H3OH(g)△H=90.17kJmol1；

(2)①根據(jù)圖示△H=0.75eV+0.37eV=0.38eV<0，故答案為：<；

②根據(jù)圖示，反應(yīng)歷程Ⅱ方框內(nèi)的方程式是：O+H=OH，故答案為：O+H=OH；

③根據(jù)圖示，歷程Ⅲ的過渡態(tài)Ⅲ相對(duì)能量最大，即活化能最大，所以歷程Ⅲ是RWGS的控速步驟，故答案為：歷程Ⅲ；

(3)①對(duì)于反應(yīng)ii，升高溫度，平衡逆移，CH4、H2O的百分含量減少，對(duì)于平衡iii，升高溫度，則平衡正移，CO的百分含量增加；增大壓強(qiáng)，反應(yīng)ii，平衡正移，H2O的百分含量增大，使反應(yīng)Ⅲ逆移，CO百分含量降低，,綜上：CH4、CO的變化幅度相對(duì)較小，則表示CH4和CO平衡組成隨溫度變化關(guān)系的曲線分別是a、d；

故答案為：a；d；相同溫度下，增大壓強(qiáng)反應(yīng)II向正方向移動(dòng)，c(H2O）增大，使得反應(yīng)III向逆方向動(dòng)，使得CO平衡組分降低；

②設(shè)起始時(shí)n(CO2)=5mol，則n(H2)=15mol，根據(jù)圖象，當(dāng)CH4和CO平衡組成為40%時(shí)，則CO2平衡組成為20%，所以△n(CO)=5mol×40%=2mol，△n(CH4)=5mol×40%=2mol，則

反應(yīng)ii： ，

反應(yīng)iii：

平衡時(shí)：n(CO2)=(522)mol=1mol，n(H2)=(1582)mol=5mol，n(CO)=2mol，n(H2O)=(4+2)mol=6mol，平衡常數(shù)；

故答案為：2.4。