Question

3．航天員呼吸產生的CO₂用下列反應處理，可實現(xiàn)空間站中O₂的循環(huán)利用，Sabatier反應：
CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
水電解反應：2H₂O（l） $\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2H₂（g）+O₂（g）
（1）將原料氣按n（CO₂）：n_H2=1：4置于密閉容器中發(fā)生Sabatier反應，測得H₂O（g）的物質的量分數(shù)與溫度的關系如圖所示（虛線表示平衡曲線）．
①該反應的平衡常數(shù)K隨溫度升高而減�。ㄌ睢霸龃蟆被颉皽p小”）．
②溫度過高或過低均不利于該反應的進行，原因是溫度過低，反應速率小；溫度過高，反應向右進行的程度�。�
③200℃達到平衡時體系的總壓強為p，該反應平衡常數(shù)K_p的計算式為$\frac{0.3P×（0.6P）^{2}}{0.02P×（0.08P）^{4}}$．（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(shù)）
（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CE（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(huán)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-394kJ•mol^-1、-242kJ•mol^-1，Bosch反應的△H=-90kJ•mol^-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，原因是反應的活化能高．
③新方案的優(yōu)點是氫原子利用率為100%．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖知，當反應達到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質的量分數(shù)減小，說明平衡逆向移動；
②溫度過低，化學反應速率�。粶囟冗^高，平衡逆向移動；
③設開始時n（CO₂）為1mol、n（H₂）=4mol，
設參加反應的n（CO₂）為xmol，
該反應方程式CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
開始（mol）1               4               0                0
反應（mol）x               4x             x               2x
平衡（mol）1-x          4-4x            x                2x
水蒸氣的物質的量分數(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但不能是通過增大二氧化碳濃度實現(xiàn)的都能提高二氧化碳轉化率；
（3）①Bosch反應的△H等于水的生成焓的二倍減去二氧化碳的生成焓；
②該反應所需的活化能較高；
③該反應中氫元素完全轉化為水．

解答 解：（1）①根據(jù)圖知，當反應達到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質的量分數(shù)減小，說明平衡逆向移動，則生成物濃度減小、反應物濃度增大，所以化學平衡常數(shù)減小，故答案為：減小；
②溫度過低，化學反應速率�。粶囟冗^高，平衡逆向移動，反應向右進行的程度減小，所以溫度過高或過低均不利于該反應的進行，
故答案為：溫度過低，反應速率�。粶囟冗^高，反應向右進行的程度��；
③設開始時n（CO₂）為1mol、n（H₂）=4mol，
設參加反應的n（CO₂）為xmol，
該反應方程式CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
開始（mol）1               4               0                0
反應（mol）x               4x             x               2x
平衡（mol）1-x          4-4x            x                2x
水蒸氣的物質的量分數(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．適當減壓，平衡逆向移動，二氧化碳轉化率減小，故A錯誤；
B．增大催化劑的比表面積，催化劑不影響反應物的轉化率，故B錯誤；
C．反應器前段加熱，后段冷卻，平衡正向移動，二氧化碳轉化率增大，故C正確；
D．提高原料氣中CO₂所占比例，平衡正向移動，但二氧化碳轉化率減小，故D錯誤；
E．合理控制反應器中氣體的流速，相當于增大濃度，平衡正向移動，二氧化碳轉化率增大，故E正確；
故選CE；
（3）①Bosch反應的△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，所以該反應所需的活化能較高，則一定條件下Bosch反應必須在高溫下才能啟動，故答案為：反應的活化能高；
③該反應中氫元素完全轉化為水，氫原子利用率為100%，
故答案為：氫原子利用率為100%．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡影響因素等知識點，為高頻考點，側重考查學生分析、判斷及計算能力，注意：圖2中200℃時水的物質的量分數(shù)是0.6而不是0.1，為易錯點．