【題目】二氧化碳的捕集、利用與封存(CCUS)是我國能源領(lǐng)域的一個(gè)重要戰(zhàn)略方向,CCUS或許發(fā)展成一項(xiàng)重要的新興產(chǎn)業(yè).
(1)已知:CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(g)△H1=a kJmol1CO(g)+H2O (g)═CO2(g)+H2 (g)△H2=b kJmol1
2CO(g)+O2(g)═2CO2(g)△H3=c kJmol1
反應(yīng)CO2(g)+CH4(g)═2CO(g)+2H2(g) 的△H=kJmol1
(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(shí)間后,CO2的轉(zhuǎn)化率隨反應(yīng)溫度的變化如圖1所示. ①a點(diǎn)所代表的狀態(tài)(填“是”或“不是”)平衡狀態(tài).
②c點(diǎn)CO2的轉(zhuǎn)化率高于b點(diǎn),原因是
(3)在實(shí)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):CO2+H2CO+H2O△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(qiáng)等因素影響外,還受催化劑CuO的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、氣體混合物在反應(yīng)鍋爐內(nèi)的流動(dòng)速率影響(用空間流率表示).通過實(shí)驗(yàn)分別得到如下數(shù)據(jù)圖2、①由圖2得,最佳空間流率為h1; 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(dá)平衡所需的時(shí)間,得到如下表數(shù)據(jù),

催化劑組分質(zhì)量分?jǐn)?shù)(%)

CuO

0

25

50

75

100

ZnO

100

75

50

25

0

到達(dá)平衡所需時(shí)間(h)

2.5

7.4

8.1

12

無催化活性

試說明不選擇單組份ZnO原因是
(4)用二氧化碳催化加氫來合成低碳烯烴,起始時(shí)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(shí)的四種氣態(tài)物質(zhì)的物質(zhì)的量如圖4所示: ①該進(jìn)行的反應(yīng)的△S0(填:“>”或“<”)
②對(duì)于氣體反應(yīng),用某組分(B)的平衡壓強(qiáng)(pB)代替物質(zhì)的量濃度(cB)也可以表示平衡常數(shù)(記作KP),則該反應(yīng)的KP=
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(列舉2項(xiàng)).

【答案】
(1)(a+2b﹣2c)
(2)不是;b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài),c點(diǎn)溫度高,反應(yīng)速率較快,故CO2的轉(zhuǎn)化率較大
(3)3600;使用單組分ZnO時(shí)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(shí)際生產(chǎn)中沒有意義,故不采用
(4)<;;增大壓強(qiáng);提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值
【解析】解:(1)已知:①CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(g)△H1=a kJmol1②CO(g)+H2O (g)═CO2(g)+H2 (g)△H2=b kJmol1
③2CO(g)+O2(g)═2CO2(g)△H3=c kJmol1 ,
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)kJmol1 ,
所以答案是:(a+2b﹣2c);(2)①催化劑只能改變反應(yīng)速率,不能改變化學(xué)平衡,所以不同催化劑(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ)作用下達(dá)平衡時(shí)CO2的轉(zhuǎn)化率相同,故a點(diǎn)所代表的狀態(tài)不是平衡狀態(tài),
所以答案是:不是;
②b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài),c點(diǎn)溫度高,反應(yīng)速率較快,故CO2的轉(zhuǎn)化率較大;
所以答案是:b、c點(diǎn)均未達(dá)到平衡狀態(tài),c點(diǎn)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(shí),二氧化碳轉(zhuǎn)化率最大,甲醇產(chǎn)量最大,流動(dòng)速率高會(huì)消耗能量,故最佳流動(dòng)速率為3600h ,
所以答案是:3600;
②使用單組份ZnO時(shí)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(shí)際生產(chǎn)中沒有意義,故不采用,
所以答案是:使用單組分ZnO時(shí)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(shí)際生產(chǎn)中沒有意義,故不采用;
③由圖可知,在t0時(shí)改變一個(gè)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(dòng),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(qiáng),可能是加入催化劑,
所以答案是:加入催化劑;(4)①反應(yīng)是氣體物質(zhì)的量減小的反應(yīng),混亂度減小,則△S<0,所以答案是:<;
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(gè)反應(yīng)物平衡分壓系數(shù)次方乘積的比值,即KP=
所以答案是: ;
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(qiáng)或提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值,
所以答案是:增大壓強(qiáng);提高氫氣和二氧化碳物質(zhì)的量的比值.
【考點(diǎn)精析】解答此題的關(guān)鍵在于理解化學(xué)平衡狀態(tài)本質(zhì)及特征的相關(guān)知識(shí),掌握化學(xué)平衡狀態(tài)的特征:“等”即 V正=V逆>0;“動(dòng)”即是動(dòng)態(tài)平衡,平衡時(shí)反應(yīng)仍在進(jìn)行;“定”即反應(yīng)混合物中各組分百分含量不變;“變”即條件改變,平衡被打破,并在新的條件下建立新的化學(xué)平衡;與途徑無關(guān),外界條件不變,可逆反應(yīng)無論是從正反應(yīng)開始,還是從逆反應(yīng)開始,都可建立同一平衡狀態(tài)(等效),以及對(duì)化學(xué)平衡的計(jì)算的理解,了解反應(yīng)物轉(zhuǎn)化率=轉(zhuǎn)化濃度÷起始濃度×100%=轉(zhuǎn)化物質(zhì)的量÷起始物質(zhì)的量×100%;產(chǎn)品的產(chǎn)率=實(shí)際生成產(chǎn)物的物質(zhì)的量÷理論上可得到產(chǎn)物的物質(zhì)的量×100%.

練習(xí)冊(cè)系列答案
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