Question

12．二氧化碳的捕集、利用與封存（CCUS）是我國能源領(lǐng)域的一個重要戰(zhàn)略方向，CCUS或許發(fā)展成一項重要的新興產(chǎn)業(yè)．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）=CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=akJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）=CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=bkJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）=2CO₂（g）△H₃=ckJ•mol^-1
反應(yīng)CO₂（g）+CH₄（g）=2CO（g）+2H₂（g）的△H=（a+2b-2c）kJ•mol^-1．
（2）利用廢氣中的CO₂為原料制取甲醇，反應(yīng)方程式為：CO₂+3H₂?CH₃OH+H₂O其他條件相同，該甲醇合成反應(yīng)在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應(yīng)相同時間后，CO₂的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖1所示．

①a點所代表的狀態(tài)不是（填“是”或“不是”）平衡狀態(tài)．
②c點CO₂的轉(zhuǎn)化率高于b點，原因是b、c點均未達到平衡狀態(tài)，c點溫度高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大．
（3）在實際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)，隨著甲醇的生成，還伴隨有少量CO副產(chǎn)物出現(xiàn)：
H₂（g）+CO₂（g）?H₂O（g）+CO（g）△H＞0，且CO₂的轉(zhuǎn)化率、甲醇的產(chǎn)率和CO含量除受濃度、度、壓強等因素影響外，還受催化劑CuO的質(zhì)量分數(shù)、氣體混合物在反應(yīng)鍋爐內(nèi)的流動速率影響（用空間流率表示）．通過實驗分別得到數(shù)據(jù)圖2、3：
①由圖2得，最佳空間流率為3600h^-1；
②在其他條件不變的前提下調(diào)整催化劑配比，并記錄到達平衡所需的時間，得到如表數(shù)據(jù)，試說明不選擇單組份ZnO原因是使用單組分ZnO時反應(yīng)速率雖然快，但是由圖3可知，二氧化碳轉(zhuǎn)化率、甲醇的產(chǎn)率都過低，實際生產(chǎn)中沒有意義，故不采用．

催化劑組分質(zhì)量分數(shù)（%）	CuO	0	25	50	75	100
	ZnO	100	75	50	25	0
到達平衡所需時間（h）		2.5	7.4	8.1	12	無催化活性

③在3L容積可變的密閉容器中發(fā)生上述反應(yīng)，恒溫下c（CO）隨反應(yīng)時間t變化的曲線Ⅰ如圖5所示．若在t₀時改變一個條件，使曲線Ⅰ變成曲線Ⅱ，則改變的條件是加入催化劑；
（4）用二氧化碳催化加氫來合成低碳烯烴，起始時以0.1MPa，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比充入反應(yīng)器中，發(fā)生反應(yīng)：2CO₂（g）+6H₂（g）?C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，不同溫度下平衡時的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量如圖4所示：
①該進行的反應(yīng)的△S＜0（填：“＞”或“＜”）
②對于氣體反應(yīng)，用某組分（B）的平衡壓強（p_B）代替物質(zhì)的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數(shù)（記作K_P），則該反應(yīng)的K_P=$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）×{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）×{p}^{6}（{H}_{2}）}$．
③為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強；提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值（列舉2項）．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1，
根據(jù)蓋斯定律，①+②×2-2×③可得：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），反應(yīng)的焓變也進行相應(yīng)的計算；
（2）①催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學平衡，不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率相同；
②b、c點均未達到平衡狀態(tài)，升高溫度，化學反應(yīng)速率加快，CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
（3）①根據(jù)二氧化碳轉(zhuǎn)化率最大、甲醇產(chǎn)量最大，選擇最佳空間流率，流動速率高會消耗能量；
②使用單組份ZnO時反應(yīng)速率雖然最快，但是由圖3可知，CO₂轉(zhuǎn)化率、CH₃OH產(chǎn)率均過低；
③由圖可知，在t₀時改變一個條件，使曲線Ⅰ變成曲線Ⅱ，反應(yīng)速率加快，不影響平衡移動，不可能是升高溫度，且改變條件濃度也不變，不可能是增大壓強，可能是加入催化劑；
（4）①反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，混亂度減�。�
②Kp等于各產(chǎn)物平衡分壓系數(shù)次方的乘積和各個反應(yīng)物平衡分壓系數(shù)次方乘積的比值；
③為提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值等．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1，
根據(jù)蓋斯定律，①+②×2-2×③可得：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），則△H=（a+2b-2c）kJ•mol^-1，
故答案為：（a+2b-2c）；
（2）①催化劑只能改變反應(yīng)速率，不能改變化學平衡，所以不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達平衡時CO₂的轉(zhuǎn)化率相同，故a點所代表的狀態(tài)不是平衡狀態(tài)，
故答案為：不是；
②b、c點均未達到平衡狀態(tài)，c點溫度高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
故答案為：b、c點均未達到平衡狀態(tài)，c點溫度高，反應(yīng)速率較快，故CO₂的轉(zhuǎn)化率較大；
（3）①由圖可知，在3600h^-時，二氧化碳轉(zhuǎn)化率最大，甲醇產(chǎn)量最大，流動速率高會消耗能量，故最佳流動速率為3600h^-，
故答案為：3600；
②使用單組份ZnO時反應(yīng)速率雖然最快，但是由圖3可知，CO₂轉(zhuǎn)化率、CH₃OH產(chǎn)率均過低實際生產(chǎn)中沒有意義，故不采用，
故答案為：使用單組分ZnO時反應(yīng)速率雖然快，但是由圖3可知，二氧化碳轉(zhuǎn)化率、甲醇的產(chǎn)率都過低，實際生產(chǎn)中沒有意義，故不采用；
③由圖可知，在t₀時改變一個條件，使曲線Ⅰ變成曲線Ⅱ，反應(yīng)速率加快，不影響平衡移動，不可能是升高溫度，且改變條件濃度也不變，不可能是增大壓強，可能是加入催化劑，
故答案為：加入催化劑；
（4）①反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng)，混亂度減小，則△S＜0，故答案為：＜；
②該反應(yīng)的Kp等于各產(chǎn)物平衡分壓系數(shù)次方的乘積和各個反應(yīng)物平衡分壓系數(shù)次方乘積的比值，即K_P=$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）×{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）×{p}^{6}（{H}_{2}）}$，
故答案為：$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）×{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）×{p}^{6}（{H}_{2}）}$；
③提高CO₂的平衡轉(zhuǎn)化率，除改變溫度外，還可采取的措施是增大壓強或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值，
故答案為：增大壓強；提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值．

點評 本題考查化學平衡的影響、圖象分析、反應(yīng)熱計算等，需要學生具備扎實的基礎(chǔ)，側(cè)重考查閱讀獲取信息能力、分析解決問題的能力，難度較大．