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)化率的是______（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H2所占比例

（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(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______________________。

Answer 1

【答案】 減小 溫度過低，反應(yīng)速率小；溫度過高，反應(yīng)向右進(jìn)行的程度小（或溫度過高，反應(yīng)向左進(jìn)行） CD -90 反應(yīng)的活化能高

【解析】（1）①根據(jù)圖中平衡時(shí)水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)曲線隨溫度的升高而減小，可知該反應(yīng)正反應(yīng)為放熱反應(yīng)，平衡常數(shù)隨溫度的升高而減小；正確答案：減小。

②反應(yīng)速率隨溫度的升高而增大，溫度過低，速率較小，反應(yīng)進(jìn)行緩慢；該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，溫度過高，平衡左移，不利于反應(yīng)的進(jìn)行；正確答案：溫度過低，反應(yīng)速率小；溫度過高，反應(yīng)向右進(jìn)行的程度小（或溫度過高，反應(yīng)向左進(jìn)行）。

③ 根據(jù)圖像可知，200℃時(shí)反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)水的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)0.1，平衡時(shí)水所占的壓強(qiáng)為0.6p，根據(jù)化學(xué)方程式可知甲烷所占的壓強(qiáng)為0.3 p，因此二氧化碳和氫氣所占的壓強(qiáng)為0.1p；根據(jù)初始投料比以及二氧化碳和氫氣的化學(xué)計(jì)量數(shù)之比可知反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)，兩者的物質(zhì)的量之比也為1:4，故平衡時(shí)二氧化碳所占的壓強(qiáng)為0.02p，氫氣所占的壓強(qiáng)為0.08 p，所以該反應(yīng)平衡常數(shù)Kp的計(jì)算式為；正確答案：。

（2）該反應(yīng)為一個(gè)體積變小可逆反應(yīng)，減小壓強(qiáng)，平衡左移，CO2轉(zhuǎn)化率降低，A錯(cuò)誤；增大催化劑的比表面積即增大了催化劑與反應(yīng)物的接觸面積，可以提高催化劑的催化效率，加快反應(yīng)速率，但是平衡不移動(dòng)，轉(zhuǎn)化率不變，B錯(cuò)誤；反應(yīng)器前段加熱，可以加快反應(yīng)的速率，后段冷卻可以減少生成物水蒸汽的濃度，平衡右移，提高CO2轉(zhuǎn)化率，C正確；提高原料氣中H2所占比例，會(huì)增大CO2轉(zhuǎn)化率，D正確；正確選項(xiàng)CD。

（3）①根據(jù)題給條件可知：C(s)+O2(g)==CO2(g) ΔH=–394 kJmol－1,H2(g)+1/2O2(g)= H2O(g) ΔH=–242 kJmol－1,第二個(gè)反應(yīng)×2-第一個(gè)反應(yīng)可得CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O ΔH ＝-90 kJmol－1；正確答案：-90。

②在化學(xué)反應(yīng)中，只有活化分子才能發(fā)生有效碰撞而發(fā)生化學(xué)反應(yīng)；升溫可以提高反應(yīng)的活化能，從而利于反應(yīng)的發(fā)生，而該反應(yīng)的反應(yīng)活化能高，必須在高溫下才能啟動(dòng)；正確答案：反應(yīng)的活化能高。