Question

【題目】【衡水中學2017屆第二次模擬】航天員呼吸產生的CO2用下列反應處理，可實現空間站中O2的循環利用。

sabatior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nCO2∶nH2=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己知H2(g)、CH4(g)的燃燒熱分別為A kJ/mol、BkJ/mol， H2O(l)=H2O(g) △H =C kJ／mol。計算Sabatier反應的△H=___kJ/mol。

②溫度過高或過低均不利于該反應的進行，原因是________。

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

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

在250℃，向體積為2L且帶氣壓計的恒容密閉容器中通入0.08molH2和0.04molCO2發生Bosch 反應CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g) △ H

①若反應起始和平衡時溫度相同(均為250℃)，測得反應過程中壓強(P)隨時間(t)的變化如圖I 曲線a所示，則△H___ 0(填“>”“<”或“不確定”) ；若其它條件相同，僅改變某一條件時，測得其壓強(P)隨時間(t)的變化如圖I 曲線b所示，則改變的條件是______________。

②圖II是甲、乙兩同學描繪上述反應平衡常數的對數值(lgK)與溫度的變化關系，其中正確的曲線是____________(填“甲”或“乙”)：m值為____________。

③Bosch反應必須在高溫下才能啟動，原因是__________________。

Answer 1

【答案】 4A-B+2C (2分)或(-4A+B＋2C) 溫度過低，反應速率小；溫度過高，平衡向右進行的程度小 BCE < 加入催化劑 乙 2 反應的活化能高

【解析】（1）①己知H2(g)、CH4(g)的燃燒熱分別為A kJ/mol、BkJ/mol，則

ⅰ、O2(g)+2H2(g)＝2H2O(l) △H =2A kJ/mol

ⅱ、2O2(g)+CH4(g)＝2H2O(l)+CO2(g) △H =B kJ/mol

ⅲ、H2O(l)=H2O(g) △H =CkJ/mol

根據蓋斯定律可知ⅰ×2－ⅱ+ⅲ×2即得到Sabatier反應的△H=(4A-B+2C)kJ/mol。

②溫度過低，反應速率很小；溫度過高，反應向右進行的程度小，故溫度過高或過低均不利于該反應的進行。③200℃時平衡體系中H2O(g)的物質的量分數為0.6，根據反應化學方程式CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，所以CH4的物質的量分數為0.3，因此CO2和H2的物質的量分數共為0.1，又因為原料氣按∶=1∶4置于密閉容器中發生Sabatier反應，所以CO2的物質的量分數為0.02，H2的物質的量分數為0.08；達到平衡時體系的總壓強為p，則四種物質的分壓分別為：p(CO2)=0.02p、p(H2)=0.08p、p(CH4)=0.3p、p(H2O)=0.6p，所以該反應平衡常數Kp為： 。

（2）首先明確：轉化效率不等于轉化率。A、適當減壓化學反應速率降低、降低平衡轉化率，A錯誤；B、增大催化劑的比表面積，提高了化學反應速率，能提高CO2轉化效率，B正確；C、反應器前段加熱，加快反應速率，后段冷卻，提高平衡轉化率，C正確；D、提高原料氣中CO2所占比例，降低CO2的轉化率，D錯誤；E、合理控制反應器中氣體的流速，可使反應物充分反應，提高了CO2轉化效率，E正確。答案選BCE。

（3）①由圖1分析可知，隨反應的進行壓強先增大后減小，5min達到平衡狀態，推知開始因反應是放熱的，隨反應進行溫度升高，壓強增大；反應到一定程度，因反應物濃度減小，隨反應正向進行，壓強反而減小，到壓強隨時間變化不變時，達到平衡狀態，反應焓變為：△H＜0；根據圖像可知改變條件后縮短了達到平衡的時間，但并沒有改變平衡狀態，則改變的條件是加入催化劑。②正反應放熱，升高溫度平衡向逆反應方向進行，平衡常數減小，則正確的曲線是乙；根據方程式可知：

CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)

起始濃度（mol/L） 0.02 0.04 0

變化濃度（mol/L） x 2x 2x

平衡濃度（mol/L） 0.02-x 0.04-2x 2x

壓強之比等于物質的量之比，則6/5=(0.02+0.04)/(0.06x)，解得：x=0.01，所以平衡常數K=，所以lgK=lg100=2＝m。③Bosch反應為放熱反應，一定條件下必須在高溫下才能啟動，說明高溫條件才能引發此反應開始，故該反應的活化能很高。