Question

【題目】2019年國際非政府組織“全球碳計劃”12月4日發布報告：研究顯示，全球二氧化碳排放量增速趨 緩。CO2的綜合利用是解決溫室問題的有效途徑。

（1）一種途徑是將CO2轉化成有機物實現碳循環。如：

△H3=____

（2）CO2甲烷化反應是由法國化學家Paul Sabatier提出的，因此，該反應又叫Sabatier反應。CO2催化氫化 制甲烷的研究過程如下：

①上述過程中，產生H2反應的化學方程式為____

②HCOOH是CO2轉化為CH4的中間體：CO2HCOOHCH4。當鎳粉用量增加10倍后，甲酸的產量迅速減少，當增加鎳粉用量時，CO2鎳催化氫化制甲烷的兩步反應中反應速率增加較大的一步是_____填“I”或“Ⅱ”）。

（3）CO2經催化加氫可以生成低碳烴，主要有兩個競爭反應：

反應I:

反應Ⅱ：

在1 L恒容密閉容器中充人1 mol CO2和4 mol H2，測得平衡時有關物質的物質的量隨溫度變化如圖所示。T1℃時，CO2的轉化率為____。T1℃時，反應I的平衡常數K= ___。

（4）已知CO2催化加氫合成乙醇的反應原理為，m代表起始時的投料比，即

①圖1中投料比相同，溫度T3>T2>T1，則△H ______（填“>”或“<”）0。

②m=3時，該反應達到平衡狀態后p（總）=20a MPa，恒壓條件下各物質的物質的量分數與溫度的關系如圖2。則曲線b代表的物質為 ___（填化學式），T4溫度時，反應達到平衡時物質d的分壓p（d）=______

Answer 1

【答案】+1366.8kJmol-1 3Fe+4H2OFe3O4+4H2 Ⅱ 60% 0.045 ＜ CO2 2.5aMPa

【解析】

(1)已知反應①C2H4(g)+H2O(l)═C2H5OH (l)△H1=-44.2kJmol-1
②2CO2(g)+2H2O(l)═C2H4(g)+3O2(g)△H2=+1411.0 kJmol-1
結合蓋斯定律，反應①+②結合得：2CO2(g)+3H2O(l)═C2H5OH(l)+3O2(g)△H3=△H1+△H2=-44.2kJmol-1+1411.0 kJmol-1=+1366.8kJmol-1；

(2)①根據流程圖可知反應物為：Fe、H2O，生成物為：H2、Fe3O4，則化學方程式為：3Fe+4H2OFe3O4+4H2；
②當鎳粉用量增加10倍后，甲酸的產量在迅速減少，說明甲酸的消耗速率大于其生成速率，因此說明反應Ⅱ的速率要比反應Ⅰ的速率增加得快；
(3)T1℃時體系內n(CH4)=0.2mol，則根據反應Ⅰ：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)可知該反應消耗的n(CO2)=0.2mol，消耗的n(H2)=0.8mol，生成的n(H2O)=0.4mol；體系內n(C2H4)=0.2mol，則根據反應Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)可知該反應消耗的n(CO2)=0.4mol，消耗的n(H2)=1.2mol，生成的n(H2O)=0.8mol；總消耗n(CO2)=0.2mol+0.4mol=0.6mol，所以α(CO2)=×100%=60%；
容器的體積為1L，所以平衡時，c(CO2)==0.4mol/L，c(H2)==2mol/L，c(CH4)==0.2mol/L，c(H2O)==1.2mol/L，平衡常數K==0.045；
(4)①根據圖示，相同壓強和投料比的條件下，溫度越高，H2轉化率越低，說明正反應為放熱反應，△H＜0；
②溫度升高，反應逆向進行，所以產物的物質的量是逐漸減少的，反應物的物質的量增大，由圖可知，曲線a代表的物質為H2，b表示CO2，c為H2O，d為C2H5OH；
m=3時，設n(CO2)=3mol，n(H2)=9mol，列三段式如下：

根據圖示，n(CO2)=n(C2H5OH)，即3-2x=x，解得x=1mol，C2H5OH的體積分數===12.5%，p(C2H5OH)=20aMPa×12.5%=2.5aMPa。