Question

3．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） $\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2H₂（g）+O₂（g）
（1）將原料氣按n（CO₂）：n_H2=1：4置于密閉容器中發(fā)生Sabatier反應(yīng)，測(cè)得H₂O（g）的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)與溫度的關(guān)系如圖所示（虛線表示平衡曲線）．
①該反應(yīng)的平衡常數(shù)K隨溫度升高而減�。ㄌ睢霸龃蟆被颉皽p小”）．
②溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于該反應(yīng)的進(jìn)行，原因是溫度過(guò)低，反應(yīng)速率小；溫度過(guò)高，反應(yīng)向右進(jìn)行的程度�。�
③200℃達(dá)到平衡時(shí)體系的總壓強(qiáng)為p，該反應(yīng)平衡常數(shù)K_p的計(jì)算式為$\frac{0.3P×（0.6P）^{2}}{0.02P×（0.08P）^{4}}$．（不必化簡(jiǎn)．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CE（填標(biāo)號(hào)）．
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-394kJ•mol^-1、-242kJ•mol^-1，Bosch反應(yīng)的△H=-90kJ•mol^-1．（生成焓指一定條件下由對(duì)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(dòng)，原因是反應(yīng)的活化能高．
③新方案的優(yōu)點(diǎn)是氫原子利用率為100%．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖知，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減小，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)；
②溫度過(guò)低，化學(xué)反應(yīng)速率�。粶囟冗^(guò)高，平衡逆向移動(dòng)；
③設(shè)開(kāi)始時(shí)n（CO₂）為1mol、n（H₂）=4mol，
設(shè)參加反應(yīng)的n（CO₂）為xmol，
該反應(yīng)方程式CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
開(kāi)始（mol）1               4               0                0
反應(yīng)（mol）x               4x             x               2x
平衡（mol）1-x          4-4x            x                2x
水蒸氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=$\frac{2x}{1-x+4-4x+x+2x}$=0.6，x=$\frac{15}{16}$
P（CO₂）=P×$\frac{1-\frac{15}{16}}{5-2×\frac{15}{16}}$=0.02P、P（H₂）=$\frac{4×（1-\frac{15}{16}）}{5-2×\frac{15}{16}}$×P=0.08P、P（CH₄）=$\frac{\frac{15}{16}}{5-2×\frac{15}{16}}$×P=0.3P、P（H₂O）=$\frac{2×\frac{15}{16}}{2-5×\frac{15}{16}}$×P=0.6P，
壓強(qiáng)平衡常數(shù)K=$\frac{P（C{H}_{4}）．{P}^{2}（{H}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）．{P}^{4}（{H}_{2}）}$；
（2）改變條件能使平衡正向移動(dòng)但不能是通過(guò)增大二氧化碳濃度實(shí)現(xiàn)的都能提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率；
（3）①Bosch反應(yīng)的△H等于水的生成焓的二倍減去二氧化碳的生成焓；
②該反應(yīng)所需的活化能較高；
③該反應(yīng)中氫元素完全轉(zhuǎn)化為水．

解答 解：（1）①根據(jù)圖知，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)減小，說(shuō)明平衡逆向移動(dòng)，則生成物濃度減小、反應(yīng)物濃度增大，所以化學(xué)平衡常數(shù)減小，故答案為：減�。�
②溫度過(guò)低，化學(xué)反應(yīng)速率小；溫度過(guò)高，平衡逆向移動(dòng)，反應(yīng)向右進(jìn)行的程度減小，所以溫度過(guò)高或過(guò)低均不利于該反應(yīng)的進(jìn)行，
故答案為：溫度過(guò)低，反應(yīng)速率�。粶囟冗^(guò)高，反應(yīng)向右進(jìn)行的程度小；
③設(shè)開(kāi)始時(shí)n（CO₂）為1mol、n（H₂）=4mol，
設(shè)參加反應(yīng)的n（CO₂）為xmol，
該反應(yīng)方程式CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
開(kāi)始（mol）1               4               0                0
反應(yīng)（mol）x               4x             x               2x
平衡（mol）1-x          4-4x            x                2x
水蒸氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)=$\frac{2x}{1-x+4-4x+x+2x}$=0.6，x=$\frac{15}{16}$
P（CO₂）=P×$\frac{1-\frac{15}{16}}{5-2×\frac{15}{16}}$=0.02P、P（H₂）=$\frac{4×（1-\frac{15}{16}）}{5-2×\frac{15}{16}}$×P=0.08P、P（CH₄）=$\frac{\frac{15}{16}}{5-2×\frac{15}{16}}$×P=0.3P、P（H₂O）=$\frac{2×\frac{15}{16}}{2-5×\frac{15}{16}}$×P=0.6P，
壓強(qiáng)平衡常數(shù)K=$\frac{P（C{H}_{4}）．{P}^{2}（{H}_{2}O）}{P（C{O}_{2}）．{P}^{4}（{H}_{2}）}$=$\frac{0.3P×（0.6P）^{2}}{0.02P×（0.08P）^{4}}$，
故答案為：$\frac{0.3P×（0.6P）^{2}}{0.02P×（0.08P）^{4}}$；
（2）A．適當(dāng)減壓，平衡逆向移動(dòng)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，故A錯(cuò)誤；
B．增大催化劑的比表面積，催化劑不影響反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率，故B錯(cuò)誤；
C．反應(yīng)器前段加熱，后段冷卻，平衡正向移動(dòng)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，故C正確；
D．提高原料氣中CO₂所占比例，平衡正向移動(dòng)，但二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，故D錯(cuò)誤；
E．合理控制反應(yīng)器中氣體的流速，相當(dāng)于增大濃度，平衡正向移動(dòng)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，故E正確；
故選CE；
（3）①Bosch反應(yīng)的△H=2（-242kJ•mol^-1）-（-394kJ•mol^-1）=-90kJ/mol，
故答案為：-90；
②斷裂二氧化碳和氫氣所需的能量較高，所以該反應(yīng)所需的活化能較高，則一定條件下Bosch反應(yīng)必須在高溫下才能啟動(dòng)，故答案為：反應(yīng)的活化能高；
③該反應(yīng)中氫元素完全轉(zhuǎn)化為水，氫原子利用率為100%，
故答案為：氫原子利用率為100%．

點(diǎn)評(píng) 本題考查化學(xué)平衡計(jì)算、化學(xué)平衡影響因素等知識(shí)點(diǎn)，為高頻考點(diǎn)，側(cè)重考查學(xué)生分析、判斷及計(jì)算能力，注意：圖2中200℃時(shí)水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)是0.6而不是0.1，為易錯(cuò)點(diǎn)．