Question

【題目】某空間站中宇航員的呼吸保障系統(tǒng)原理如圖所示。

Sabatier系統(tǒng)中發(fā)生反應(yīng)為：

反應(yīng)I：CO2(g)＋4H2(g)CH4(g)＋2H2O(g)△H1

反應(yīng)II：CO2(g)＋H2(g)CO(g)＋H2O(g)△H2＝＋41.2kJ/mol

(1)常溫常壓下，已知：

①H2和CH4的燃燒熱(△H)分別為－285.5kJ·mol－1和－890.0kJ·mol－1；

②H2O(l)＝H2O(g)△H3＝＋44.0kJ·mol－1。則△H1＝__________kJ·mol－1。

(2)按＝4的混合氣體充入Sabatier系統(tǒng)，當(dāng)氣體總壓強(qiáng)為0.1MPa，平衡時(shí)各物質(zhì)的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)如圖所示；不同壓強(qiáng)時(shí)，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率如圖所示：

①Sabatier系統(tǒng)中應(yīng)選擇適宜的溫度是__________。

②200～550℃時(shí)，CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度升高而增大的原因是__________。

③當(dāng)溫度一定時(shí)，隨壓強(qiáng)升高，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大，其原因是__________。

(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系統(tǒng)。

①分析Bosch反應(yīng)的熵值變化為：△S__________0(選填“>”或“<”)。

②溫度一定時(shí)，在2L密閉容器中按＝2投料進(jìn)行Bosch反應(yīng)，達(dá)到平衡時(shí)體系的壓強(qiáng)為原來(lái)壓強(qiáng)p0的0.7倍，該溫度下反應(yīng)平衡常數(shù)Kp為__________(用含p0的表達(dá)式表示，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))。

③下列措施能提高Bosch反應(yīng)中CO2轉(zhuǎn)化率的是_________(填標(biāo)號(hào))。

A.加快反應(yīng)器中氣體的流速B.提高原料氣中CO2所占比例

C.增大催化劑的表面積D.反應(yīng)器前段加熱，后段冷卻

Answer 1

【答案】－164.0 200℃ △H1＜0、△H2＞0，溫度升高時(shí)，反應(yīng)I向左移動(dòng)CO2增加的量比反應(yīng)II向右移動(dòng)CO2減少的量多 反應(yīng)II增壓平衡不移動(dòng)，反應(yīng)I增壓平衡向右移動(dòng)，故CO2的平衡轉(zhuǎn)化率增大 ＜ D

【解析】

(1)已知：H2和CH4的燃燒熱(△H)分別為－285.5kJ·mol－1和－890.0kJ·mol－1；H2O(l)＝H2O(g)△H3＝＋44.0kJ·mol－1，根據(jù)蓋斯定律計(jì)算解答；

(2)①產(chǎn)物的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高，該條件下溫度最適宜；

②反應(yīng)I△H1＜0、反應(yīng)Ⅱ△H2＞0，恒壓條件下，結(jié)合升高溫度對(duì)反應(yīng)Ⅱ、反應(yīng)I的影響分析解答；

③相同溫度下，反應(yīng)II正向是前后氣體分子數(shù)不變，壓強(qiáng)改變不影響其平衡移動(dòng)，反應(yīng)I正向?yàn)闅怏w分子數(shù)縮小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，反應(yīng)I的平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)，CO轉(zhuǎn)化率增大；

(3)①由Bosch反應(yīng)為CO2(g)＋2H2(g)C(s)＋2H2O(g)，為氣體分子數(shù)目減少的體系，即平衡體系混亂度減��；

②已知溫度一定時(shí)，在2L密閉容器中按＝2，設(shè)氫氣與二氧化碳初始投料分別為2mol和1mol，根據(jù)物質(zhì)的量之比等于壓強(qiáng)之比，列三段式計(jì)算解答；

③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。

(1)已知：H2和CH4的燃燒熱分別為285.5kJmol1和890.0kJmol1，可知熱化學(xué)方程式：

a．H2(g)+O2(g)=H2O(1)△H=285.5kJmol1，

b．CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(1)△H=890.0kJmol1，

c．H2O(1)═H2O(g)△H3=44.0kJmol1，根據(jù)蓋斯定律，4a+2cb得，CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H1=164.0kJmol1；

(2)①產(chǎn)物的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)越大，反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率越高，Sabatier系統(tǒng)中CO2和H2為反應(yīng)物，H2O、CH4、CO為產(chǎn)物，由圖所示，200℃時(shí)CO2轉(zhuǎn)化率最高，H2O、CH4的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)最大，Sabatier系統(tǒng)中應(yīng)選擇適宜的溫度200℃；

②反應(yīng)I△H1＜0、反應(yīng)Ⅱ△H2＞0，恒壓條件下，升高溫度時(shí)反應(yīng)I的平衡向逆向移動(dòng)使CO2的量增加，反應(yīng)II的平衡正向移動(dòng)使CO2的量減少，但反應(yīng)Ⅰ向左移動(dòng)增加的CO2的量大于反應(yīng)Ⅱ向右移動(dòng)減少的CO2的量，所以CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度升高而增大；

③相同溫度下，反應(yīng)II正向是前后氣體分子數(shù)不變，反應(yīng)I正向?yàn)闅怏w分子數(shù)縮小的反應(yīng)，壓強(qiáng)改變不影響其平衡移動(dòng)，反應(yīng)I正向?yàn)闅怏w分子數(shù)縮小的反應(yīng)，增大壓強(qiáng)，反應(yīng)I的平衡向正反應(yīng)方向移動(dòng)、反應(yīng)II的平衡，所以相同溫度時(shí)，壓強(qiáng)越大，CO2的平衡轉(zhuǎn)化率越大；

(3)①Bosch反應(yīng)為CO2(g)＋2H2(g)C(s)＋2H2O(g)，由反應(yīng)可知正反應(yīng)為氣體分子數(shù)目減少的體系，平衡體系混亂度減小，則△S＜0；

②溫度一定時(shí)，在2L密閉容器中按＝2投料進(jìn)行Bosch反應(yīng)，設(shè)設(shè)氫氣與二氧化碳初始投料分別為2mol和1mol，二氧化碳的轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量為xmol，列三段式：

達(dá)到平衡時(shí)體系的壓強(qiáng)為原來(lái)壓強(qiáng)p0的0.7倍，即，解得x=0.9，則平衡時(shí)體系中CO2、H2、2H2O(g)的物質(zhì)的量分別為0.1mol、0.2mol、1.8mol，混合氣體的總物質(zhì)的量=0.1+0.2+1.8=2.1mol，p(CO2)==，p(H2)==，p(H2O)==0.6p0，該溫度下反應(yīng)平衡常數(shù)Kp==；

③A．加快反應(yīng)器中氣體的流速，相當(dāng)于減小濃度，平衡逆向移動(dòng)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，故A不符合題意；

B．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B不符合題意；

C．增大催化劑的表面積，反應(yīng)速率加快，但平衡不移動(dòng)，二氧化碳轉(zhuǎn)化率不變，故C不符合題意；

D．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D符合題意；

答案選D。