Question

【題目】航天員呼吸產生的CO2用下列反應處理，可實現空間站中O2的循環利用。

Sabatier反應：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)

水電解反應：2H2O(l) 2H2(g) + O2(g)

（1）將原料氣按∶=1∶4置于密閉容器中發生Sabatier反應，測得H2O(g)的物質的量分數與溫度的關系如圖所示（虛線表示平衡曲線）。

① 該反應的平衡常數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的進行，原因是__________________________。

③ 200℃達到平衡時體系的總壓強為p，該反應平衡常數Kp的計算式為________。（不必化簡。用平衡分壓代替平衡濃度計算，分壓＝總壓×物質的量分數）

（2）Sabatier反應在空間站運行時，下列措施能提高CO2轉化率的是______（填標號）。

A．適當減壓 B．增大催化劑的比表面積

C．反應器前段加熱，后段冷卻 D．提高原料氣中H2所占比例

（3）一種新的循環利用方案是用Bosch反應CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)代替Sabatier反應。

① 已知CO2(g)、H2O(g)的生成焓分別為–394 kJmol－1、–242 kJmol－1，Bosch反應的ΔH ＝________kJmol－1。（生成焓指一定條件下由對應單質生成1mol化合物時的反應熱）

② 一定條件下Bosch反應必須在高溫下才能啟動，原因是______________________。

Answer 1

【答案】 減小 溫度過低，反應速率小；溫度過高，反應向右進行的程度�。ɑ驕囟冗^高，反應向左進行） CD -90 反應的活化能高

【解析】（1）①根據圖中平衡時水的物質的量分數曲線隨溫度的升高而減小，可知該反應正反應為放熱反應，平衡常數隨溫度的升高而減小；正確答案：減小。

②反應速率隨溫度的升高而增大，溫度過低，速率較小，反應進行緩慢；該反應為放熱反應，溫度過高，平衡左移，不利于反應的進行；正確答案：溫度過低，反應速率��；溫度過高，反應向右進行的程度�。ɑ驕囟冗^高，反應向左進行）。

③ 根據圖像可知，200℃時反應達到平衡時水的物質的量分數0.1，平衡時水所占的壓強為0.6p，根據化學方程式可知甲烷所占的壓強為0.3 p，因此二氧化碳和氫氣所占的壓強為0.1p；根據初始投料比以及二氧化碳和氫氣的化學計量數之比可知反應達到平衡時，兩者的物質的量之比也為1:4，故平衡時二氧化碳所占的壓強為0.02p，氫氣所占的壓強為0.08 p，所以該反應平衡常數Kp的計算式為；正確答案：。

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

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

②在化學反應中，只有活化分子才能發生有效碰撞而發生化學反應；升溫可以提高反應的活化能，從而利于反應的發生，而該反應的反應活化能高，必須在高溫下才能啟動；正確答案：反應的活化能高。