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【題目】2017年,中科院大連化學物理研究所碳資源小分子與氫能利用創(chuàng)新特區(qū)研究組(DNL19T3)孫劍、葛慶杰研究員團隊通過設計一種新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能復合催化劑,成功實現(xiàn)了CO2直接加氫制取高辛烷值汽油。該研究成果被評價為“CO2催化轉化領域的突破性進展”。

(1) 工業(yè)生產尾氣中的CO2捕獲技術之一是氨水溶液吸收技術,工藝流程是將煙氣冷卻至15.5~26.5℃后用氨水吸收過量的CO2,該反應的化學方程式為_____________。在用氨水吸收前,煙氣需冷卻至15.5~26.5℃的可能原因是_________________

(2) 該研究成果用CO2制取高辛烷值汽油的路線是先將CO2按逆水煤氣反應生成CO,然后由CO與H2反應生成烴,產物中汽油組分占所有烴類產物的百分比近80%。

① 已知:H2 (g)+O2 (g) === H2O(l) ΔH1= —285.8 kJ·mol-1

C8H18(l)+O2(g) === 8CO2(g)+9H2O(l) ΔH3= —5518 kJ·mol-1

試寫出25℃、101kPa條件下,CO2與H2反應生成汽油(以C8H18表示)的熱化學方

程式__________________________。

② 在一實驗容器中充入一定量的CO2和H2,若加入催化劑恰好完全反應,且產物只生成C5以上的烴類物質和水,則CO2與H2的物質的量之比不低于________

(3) 二甲醚(CH3OCH3)的十六烷值高,燃燒尾氣中污染物少,可代替柴油。CO、CO2混合加氫的方法是在一個反應器中將合成氣直接轉化為二甲醚,包括以下4個反應:

CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)

CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)  

CO(g)+2H2(g)CH3OH(g)

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

① 已知反應④在某溫度下的平衡常數(shù)為K=400。此溫度下,在一恒容密閉容器中加入CH3OH,反應到某時刻測得各組分的濃度如下:

物質

CH3OH

CH3OCH3

H2O

濃度/(mol·L-1

0.44

0.6

0.6

此時正、逆反應速率的大。v(正) ______ v(逆) (填“>”、“<”或“=”)。

若加入CH3OH后,經10 min反應達到平衡,該時間內反應速率v(CH3OH)=_____

② 某科研小組在反應溫度503K~543K,反應壓強分別是3、4、5、6、7MPa,n(CO)/n(CO+CO2)=0.5的情況下計算了二甲醚的平衡收率(二甲醚實際產量與反應物總量之比),結果如圖1所示。

a~e曲線分別對應不同的壓強條件,則e對應的壓強是______,理由是___________。

該科研小組在反應溫度523K、反應壓強5MPa的條件下,按照合成反應的化學計量比進料,改變n(CO)/n(CO+CO2)的比例,二甲醚的平衡收率的變化規(guī)律如圖2所示。

由圖2可知,二甲醚的平衡收率隨著n(CO)/n(O+CO2)比值的增大而單調上升,其原因是________________________________________________。

【答案】 NH3+CO2+H2O=== NH4HCO3 (或NH3·H2O +CO2 === NH4HCO3) 降低吸收過程中氨水的揮發(fā),促進氨水對CO2的吸收 8CO2(g)+25 H2(g) === C8H18(l) +16H2O(l) ΔH= —1627kJ·mol-1 0.16 mol·L-1·min-1 7MPa 合成二甲醚的總反應為氣體分子數(shù)減少的反應,壓強越大,二甲醚的平衡產率越大 增大CO濃度,消耗了反應體系中的水,促進反應④平衡正向移動,增加了產品的平衡收率

【解析】(1) 用氨水吸收過量的CO2生成NH4HCO3,發(fā)生反應的化學方程式為NH3+CO2+H2O=NH4HCO3;氨水不穩(wěn)定,為降低吸收過程中氨水的揮發(fā),促進氨水對CO2的吸收,煙氣需冷卻至15.5~26.5℃再用氨水吸收;

(2) 已知:I、H2 (g)+O2 (g) = H2O(l) ΔH1= —285.8 kJ·mol-1,、C8H18(l) O2(g) =8CO2(g)+9H2O(l) ΔH3= —5518 kJ·mol-1,根據(jù)蓋斯定律,由I×25-Ⅱ可得8CO2(g)+25H2(g) = C8H18(l) +16H2O(l),此時ΔH=ΔH1×25-ΔH2=(—285.8 kJ·mol-1)×25-(—5518 kJ·mol-1)=—1627kJ·mol-1,即CO2H2反應生成汽油(C8H18表示)的熱化學方程式為8CO2(g)+25 H2(g) = C8H18(l) +16H2O(l) ΔH = —1627kJ·mol-1

②根據(jù)原子守恒,生成C5以上的烴類物質和水,設CO2的物質的量為5mol時,則生成1molC5H1210mol水,消耗H2的物質的量為16mol,故CO2H2的物質的量之比不低于5:16;

(3) Qc===1.86<400,則此時反應正向進行,即v()v();

2CH3OH(g)CH3OCH3(g)+H2O(g)

起始濃度(mol/L) 0.44 0.6 0.6

變化濃度(mol/L) 2c c c

平衡濃度(mol/L) 0.44-2c 0.6+c 0.6+c

K===400,解得:c=0.08mol/L,該時間內反應速率v(CH3OH)==0.016 mol·L-1·min-1。

②因合成二甲醚的總反應為氣體分子數(shù)減少的反應,壓強越大,二甲醚的平衡產率越大,故a~e曲線中e對應的壓強最大,即e對應的壓強是7MPa;

因增大CO濃度,消耗了反應體系中的水,促進反應④平衡正向移動,增加了產品的平衡收率,故二甲醚的平衡收率隨著n(CO)/n(CO+CO2)比值的增大而單調上升。

練習冊系列答案
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已知:Ⅰ:金屬硫化物、硫酸、二氧化錳三者發(fā)生的反應均是氧化還原反應。

例如:MnO2+ZnS+2H2SO4MnSO4+ZnSO4+S+2H2O.

4X-+Mn2+MnX42-,X-不參與電極反應。Zn2+X-不反應。

Ⅲ:各種金屬離子完全沉淀的pH如下表:

Zn2+

Mn2+

Fe2+

Fe3+

A13+

pH

8.0

10.1

9.0

3.2

4.7

回答下列問題:

1操作I的名稱是_____________________。

2物質CMnO2ZnO的混合物。加入物質C充分作用后,過濾,所得固體的成分是________(用化學式表示)

3電解溶液D的裝置如下圖所示,兩個電極都是惰性電極。

①硫酸鈉的作用是________________________。

②b電極的電極反應式是______________________a電極的電極反應式是_______________________。

4若一定質量的閃鋅礦中含1.76kgFeS,則在上述流程中1.76kgFeS消耗MnO2的質量為_______kg。

5現(xiàn)有0.4mol/L Mn(NO3)2、 0.8mol/LZn(NO3)2的混合溶液100mL,向該混合液中逐滴加入Na2S溶液,當MnS沉淀一定程度時,測得c(Mn2+)=2.0×10-3 mol/L,則此時c(Zn2+)=________[已知Ksp(ZnS)=1.3×10-24,Ksp(MnS)=2.6×10-13]

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