Question

【題目】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。

Sabatier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∶=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隨溫度升高而__________（填“增大”或“減小”）。

② 溫度過高或過低均不利于該反應的進行，原因是________。

③ 200℃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。

① 已知CO2(g)、H2O(g)的生成焓分別為–394 kJmol－1、–242 kJmol－1，Bosch反應的ΔH ＝________kJmol－1。（生成焓指一定條件下由對應單質生成1mol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________。

③ 新方案的優點是________。

Answer 1

【答案】 減小 溫度過低，反應速率減小 溫度過高，反應向右進行的程度小 BCE -90 反應的活化能高；氫原子利用率為100%。

【解析】（1）①根據H2O(g)的物質的量分數與溫度的關系圖可得：溫度越高，H2O(g)的物質的量分數越低，故隨升高溫度該反應的平衡常數K減小。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項，適當減壓化學反應速率降低、降低平衡轉化率，故A錯誤；B項，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，故B正確；C項，反應器前段加熱，加快反應速率，后段冷卻，提高平衡轉化率，故C正確；D項，提高原料氣中CO2所占比例，降低CO2的轉化率，故D錯誤；E項，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，故E正確。綜上，選BCE。

（3）①由已知可得：C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH ＝–394 kJmol-1，2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH ＝–484 kJmol-1，所以Bosch反應CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)的ΔH＝[–484-（-394）] kJmol-1=-90kJmol-1。②Bosch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。③新方案與原方案相比氫原子利用率為100%。