Question

【題目】碳的化合物的轉換在生產、生活中具有重要的應用，如航天員呼吸產生的CO2用Sabatier反應處理，實現空間站中O2的循環利用。

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

水電解反應：2H2O(1) 2H2(g) +O2(g)。

(1)將原料氣按n(CO2):n(H2)=1：4置于密閉容器中發生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隨溫度降低而________（填“增大”或“減小”）。

②在密閉恒溫（高于100℃）恒容裝置中進行該反應，下列能說明達到平衡狀態的是_____。

A．混合氣體密度不再改變 B．混合氣體壓強不再改變

C．混合氣體平均摩爾質量不再改變 D. n(CO2):n(H2)=1:2

③200℃達到平衡時體系的總壓強為p，該反應平衡常數Kp的計算表達式為_______。（不必化簡，用平衡分，壓代替平衡濃度計算，分壓=總壓×物質的量分數）

(2)Sabatier反應在空間站運行時，下列措施能提高CO2轉化率的是____（填標號）。

A．適當減壓 B．合理控制反應器中氣體的流速

C.反應器前段加熱，后段冷卻 D.提高原料氣中CO2所占比例

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

①已知CO2(g)、H2O(g)的生成焓分別為-394kJ/mol、-242kJ/mol，Bosch反應的△H=_____kJ/mol。（生成焓指一定條件下由對應單質生成lmol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______________。若使用催化劑，則在較低溫度下就能啟動。

③Bosch反應的優點是_______________。

Answer 1

【答案】 增大 BC BC -90 反應的活化能高 氫原子利用率為100%

【解析】①根據圖中平衡時的物質的量分數曲線隨溫度的降低而增大，可知該正反應為放熱反應，K隨溫度的升高而減小，K隨溫度降低而增大。答案：增大。

②根據在密閉恒溫（高于100℃）恒容裝置中進行的反應CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)；可知A．混合氣體密度不會改變，所以不能作為平衡的依據，故A錯；B．由反應可知此反應兩邊計量數不等，所以混合氣體壓強不再改變標志達到平衡，故B正確。C．混合氣體平均摩爾質量M=m/n,M不變說明n不在改變，說明達到平衡了。故C正確； D. n(CO2):n(H2)=1:2不符合化學平衡的定義，不能作為判斷平衡的依據，故D錯。本題答案：B C。

③在密閉容器里全部由氣體參與的反應中，平衡時氣體壓強之比=氣體物質的量之比=氣體物質的量濃度之比。根據反應達到平衡時的物質的量分數，可知平衡時所占的壓強為，根據化學反應方程式可知所占壓強為，因此和所占的壓強為。根據初始投料比以及和的化學計量數之比可知反應達到平衡時，兩者的物質的量之比也為，故平衡時所占的壓強為，所占的壓強為，故可寫出的表達式為。

（2）A項，該反應為氣體分子數減小的反應，根據勒夏特列原理可知減壓后反應向逆反應方向進行，會降低的轉化效率，故A項錯；B根據 CO2(g)+4H2(g)C(s)+2H2O(g)，合理控制反應器中氣體的流速，可以增大反應物接觸面積，可以使反應物充分反應，提高反應物的轉化率，故B正確；C項，反應器前段加熱可以加快反應速率，后段冷卻可以加大反應的轉化率，因此該措施能提高的轉化效率，故選C項；D項，提高原料氣中的比例會增大的轉化率，但會減小的轉化效率，故D項錯。綜上所述，本題正確答案為BC。

（3）①根據題目給出條件可知a.，b.，由即可得Bosch反應，其反應熱為。

②在化學反應中，只有活化分子才能發生有效碰撞而發生化學反應。升高溫度可以提高反應物的活化能，從而發生反應，而Bosch反應的反應活化能高，所以必須在高溫下才能啟動。

③在Bosch反應中，氫原子全部轉化到水分子中，水電解后氫原子又重新全部形成，因此該方案的優點為氫原子利用率為。