Question

【題目】航天員呼吸產(chǎn)生的CO2用下列反應(yīng)處理，可實(shí)現(xiàn)空間站中O2的循環(huán)利用。

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

水電解反應(yīng)：2H2O(l)2H2(g)+O2(g)

（1）將原料氣按∶=1∶4置于密閉容器中發(fā)生Sabatier反應(yīng)，測得H2O(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖所示（虛線表示平衡曲線）。

① 該反應(yīng)的平衡常數(shù)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(yīng)的進(jìn)行，原因是________。

③ 200℃達(dá)到平衡時(shí)體系的總壓強(qiáng)為p，該反應(yīng)平衡常數(shù)Kp的計(jì)算式為________。（不必化簡。用平衡分壓代替平衡濃度計(jì)算，分壓＝總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）

（2）Sabatier反應(yīng)在空間站運(yùn)行時(shí)，下列措施能提高CO2轉(zhuǎn)化效率的是______（填標(biāo)號）。

A．適當(dāng)減壓

B．增大催化劑的比表面積

C．反應(yīng)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(yīng)器中氣體的流速

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

① 已知CO2(g)、H2O(g)的生成焓分別為–394 kJmol－1、–242 kJmol－1，Bosch反應(yīng)的ΔH ＝________kJmol－1。（生成焓指一定條件下由對應(yīng)單質(zhì)生成1mol化合物時(shí)的反應(yīng)熱）

② 一定條件下Bosch反應(yīng)必須在高溫下才能啟動，原因是________。

③ 新方案的優(yōu)點(diǎn)是________。

Answer 1

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

【解析】（1）①根據(jù)H2O(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系圖可得：溫度越高，H2O(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越低，故隨升高溫度該反應(yīng)的平衡常數(shù)K減小。②溫度過低，反應(yīng)速率很小；溫度過高，反應(yīng)向右進(jìn)行的程度小，故溫度過高或過低均不利于該反應(yīng)的進(jìn)行。③200℃時(shí)平衡體系中H2O(g)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.6，根據(jù)反應(yīng)化學(xué)方程式CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，所以CH4的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.3，因此CO2和H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)共為0.1，又因?yàn)樵�料氣�?/span>∶=1∶4置于密閉容器中發(fā)生Sabatier反應(yīng)，所以CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.02，H2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)為0.08；達(dá)到平衡時(shí)體系的總壓強(qiáng)為p，則四種物質(zhì)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(yīng)平衡常數(shù)Kp為： =。

（2）首先明確：轉(zhuǎn)化效率不等于轉(zhuǎn)化率。A項(xiàng)，適當(dāng)減壓化學(xué)反應(yīng)速率降低、降低平衡轉(zhuǎn)化率，故A錯(cuò)誤；B項(xiàng)，增大催化劑的比表面積，提高了化學(xué)反應(yīng)速率，能提高CO2轉(zhuǎn)化效率，故B正確；C項(xiàng)，反應(yīng)器前段加熱，加快反應(yīng)速率，后段冷卻，提高平衡轉(zhuǎn)化率，故C正確；D項(xiàng)，提高原料氣中CO2所占比例，降低CO2的轉(zhuǎn)化率，故D錯(cuò)誤；E項(xiàng)，合理控制反應(yīng)器中氣體的流速，可使反應(yīng)物充分反應(yīng)，提高了CO2轉(zhuǎn)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(yīng)CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)的ΔH＝[–484-（-394）] kJmol-1=-90kJmol-1。②Bosch反應(yīng)為放熱反應(yīng)，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(fā)此反應(yīng)開始，故該反應(yīng)的活化能很高。③新方案與原方案相比氫原子利用率為100%。