Question

【題目】某空間站中宇航員的呼吸保障系統(tǒng)原理如圖所示。

Sabatier系統(tǒng)中發(fā)生反應為：

反應I：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)△H1

反應II：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)△H2＝＋41.2kJ/mol

(1)常溫常壓下，已知：

①H2和CH4的燃燒熱(△H)分別為－285.5kJ·mol－1和－890.0kJ·mol－1；

②H2O(l)＝H2O(g)△H3＝＋44.0kJ·mol－1。則△H1＝__________kJ·mol－1。

(2)按＝4的混合氣體充入Sabatier系統(tǒng)，當氣體總壓強為0.1MPa，平衡時各物質的物質的量分數如圖所示；不同壓強時，CO2的平衡轉化率如圖所示：

①Sabatier系統(tǒng)中應選擇適宜的溫度是__________。

②200～550℃時，CO2的物質的量分數隨溫度升高而增大的原因是__________。

③當溫度一定時，隨壓強升高，CO2的平衡轉化率增大，其原因是__________。

(3)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系統(tǒng)。

①分析Bosch反應的熵值變化為：△S__________0(選填“>”或“<”)。

②溫度一定時，在2L密閉容器中按＝2投料進行Bosch反應，達到平衡時體系的壓強為原來壓強p0的0.7倍，該溫度下反應平衡常數Kp為__________(用含p0的表達式表示，用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓＝總壓×物質的量分數)。

③下列措施能提高Bosch反應中CO2轉化率的是_________(填標號)。

A.加快反應器中氣體的流速B.提高原料氣中CO2所占比例

C.增大催化劑的表面積D.反應器前段加熱，后段冷卻

Answer 1

【答案】－164.0 200℃ △H1＜0、△H2＞0，溫度升高時，反應I向左移動CO2增加的量比反應II向右移動CO2減少的量多 反應II增壓平衡不移動，反應I增壓平衡向右移動，故CO2的平衡轉化率增大 ＜ D

【解析】

(1)已知：H2和CH4的燃燒熱(△H)分別為－285.5kJ·mol－1和－890.0kJ·mol－1；H2O(l)＝H2O(g)△H3＝＋44.0kJ·mol－1，根據蓋斯定律計算解答；

(2)①產物的物質的量分數越大，反應物的轉化率越高，該條件下溫度最適宜；

②反應I△H1＜0、反應Ⅱ△H2＞0，恒壓條件下，結合升高溫度對反應Ⅱ、反應I的影響分析解答；

③相同溫度下，反應II正向是前后氣體分子數不變，壓強改變不影響其平衡移動，反應I正向為氣體分子數縮小的反應，增大壓強，反應I的平衡向正反應方向移動，CO轉化率增大；

(3)①由Bosch反應為CO2(g)＋2H2(g)C(s)＋2H2O(g)，為氣體分子數目減少的體系，即平衡體系混亂度減��；

②已知溫度一定時，在2L密閉容器中按＝2，設氫氣與二氧化碳初始投料分別為2mol和1mol，根據物質的量之比等于壓強之比，列三段式計算解答；

③改變條件能使平衡正向移動但不能是通過增大二氧化碳濃度實現的都能提高二氧化碳轉化率。

(1)已知：H2和CH4的燃燒熱分別為285.5kJmol1和890.0kJmol1，可知熱化學方程式：

a．H2(g)+O2(g)=H2O(1)△H=285.5kJmol1，

b．CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1)△H=890.0kJmol1，

c．H2O(1)═H2O(g)△H3=44.0kJmol1，根據蓋斯定律，4a+2cb得，CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H1=164.0kJmol1；

(2)①產物的物質的量分數越大，反應物的轉化率越高，Sabatier系統(tǒng)中CO2和H2為反應物，H2O、CH4、CO為產物，由圖所示，200℃時CO2轉化率最高，H2O、CH4的物質的量分數最大，Sabatier系統(tǒng)中應選擇適宜的溫度200℃；

②反應I△H1＜0、反應Ⅱ△H2＞0，恒壓條件下，升高溫度時反應I的平衡向逆向移動使CO2的量增加，反應II的平衡正向移動使CO2的量減少，但反應Ⅰ向左移動增加的CO2的量大于反應Ⅱ向右移動減少的CO2的量，所以CO2的物質的量分數隨溫度升高而增大；

③相同溫度下，反應II正向是前后氣體分子數不變，反應I正向為氣體分子數縮小的反應，壓強改變不影響其平衡移動，反應I正向為氣體分子數縮小的反應，增大壓強，反應I的平衡向正反應方向移動、反應II的平衡，所以相同溫度時，壓強越大，CO2的平衡轉化率越大；

(3)①Bosch反應為CO2(g)＋2H2(g)C(s)＋2H2O(g)，由反應可知正反應為氣體分子數目減少的體系，平衡體系混亂度減小，則△S＜0；

②溫度一定時，在2L密閉容器中按＝2投料進行Bosch反應，設設氫氣與二氧化碳初始投料分別為2mol和1mol，二氧化碳的轉化物質的量為xmol，列三段式：

達到平衡時體系的壓強為原來壓強p0的0.7倍，即，解得x=0.9，則平衡時體系中CO2、H2、2H2O(g)的物質的量分別為0.1mol、0.2mol、1.8mol，混合氣體的總物質的量=0.1+0.2+1.8=2.1mol，p(CO2)==，p(H2)==，p(H2O)==0.6p0，該溫度下反應平衡常數Kp==；

③A．加快反應器中氣體的流速，相當于減小濃度，平衡逆向移動，二氧化碳轉化率減小，故A不符合題意；

B．提高原料氣中CO2所占比例，平衡正向移動，但二氧化碳轉化率減小，故B不符合題意；

C．增大催化劑的表面積，反應速率加快，但平衡不移動，二氧化碳轉化率不變，故C不符合題意；

D．反應器前段加熱，后段冷卻，平衡正向移動，二氧化碳轉化率增大，故D符合題意；

答案選D。