Question

【題目】CO2的回收與利用是科學(xué)家研究的熱點(diǎn)課題，可利用CH4與CO2制備“合成氣”(CO、H2)，還可制備甲醇、二甲醚、低碳烯烴等燃料產(chǎn)品。

I.制合成氣

科學(xué)家提出制備：“合成氣”反應(yīng)歷程分兩步：

反應(yīng)①: CH4(g)C(ads)+2H2(g) (慢反應(yīng))

反應(yīng)②:C(ads)+CO2(g)2CO(g) (快反應(yīng))

上述反應(yīng)中C(ads)為吸附性活性炭，反應(yīng)歷程的能量變化如下圖：

(1) CH4與CO2制備“合成氣”的熱化學(xué)方程式為____。 能量變化圖中：E5+E1_______E4+ E2(填“>” 、 “< ” 或 “= ”)。

II.甲醇合成

在某 CO 催化加氫制甲醇的反應(yīng)體系中，發(fā)生的主要反應(yīng)有：

i. CO2(g) + 3 H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1< 0

ii.CO2(g) + H2(g)CO (g)+H2O(g) △H2>0

iii . CO(g)+2H2( g)CH3OH(g) (g) △H3< 0

(2)5MPa 時(shí)，往某密閉容器中按投料比n(H2) :n ( CO2) =3:1 充入H2和CO2。反應(yīng)達(dá)到平衡時(shí)， 測(cè)得各組分的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)隨溫度變化的曲線如圖所示。

①體系中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)受溫度的影響不大， 原因是_____。

②250°C時(shí)，反應(yīng) i i 的平衡常數(shù)____1(填“> ”“< ”或“=”)

③下列措施中，無法提高甲醇產(chǎn)率的是____(填標(biāo)號(hào))。

A．加入適量CO B．增大壓強(qiáng) C．循環(huán)利用原料氣 D．升高溫度

④在下圖中畫出n(H2)/ n(CO2)隨溫度變化趨勢(shì)圖_____。

(3)反應(yīng)i可能的反應(yīng)歷程如下圖所示。

注：方框內(nèi)包含微粒種類及數(shù)目、微粒的相對(duì)總能量(括號(hào)里的數(shù)字或字母，單位：eV)。其中TS表示過渡態(tài)、*表示吸附在催化劑上的微粒，反應(yīng)歷程中，生成甲醇的決速步驟的反應(yīng)方程式為__。

Answer 1

【答案】CH4 (g) +CO2 (g)2CO(g) +2H2 (g) △H=+ ( E3-E1 ) kJmol-1 < 溫度改變時(shí)， 反應(yīng)i 和反應(yīng) ii 平衡移動(dòng)方向相反 < D HCOOH*+2H2(g) = H2COOH*+H2

【解析】

I．(1)根據(jù)蓋斯定律書寫CH4與CO2制備“合成氣”的熱化學(xué)方程式；反應(yīng)①是慢反應(yīng)、反應(yīng)②是快反應(yīng)，反應(yīng)①的活化能大于反應(yīng)②；

II．(2) ①反應(yīng)i.放熱、反應(yīng)ii吸熱；

②根據(jù)圖示，250°C時(shí)，CO2、H2的濃度大于CO 、H2O；

③根據(jù)影響平衡移動(dòng)的因素判斷；

④根據(jù)圖示，升高溫度，氫氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大，CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)受溫度的影響不大；

(3)活化能越大，反應(yīng)速率越慢，慢反應(yīng)決定總反應(yīng)速率；

I．(1)①: CH4(g)C(ads)+2H2(g) △H=+ ( E2-E1 ) kJmol-1

②:C(ads)+CO2(g)2CO(g) △H=+ ( E3-E2 ) kJmol-1

根據(jù)蓋斯定律①+②得制備“合成氣”的熱化學(xué)方程式CH4 (g) +CO2 (g)2CO(g) +2H2 (g) △H=+ ( E3-E1 ) kJmol-1；反應(yīng)①的活化能是E4-E1、反應(yīng)②的活化能是E5-E2，反應(yīng)①的活化能大于反應(yīng)②，所以(E4-E1)＞(E5-E2)，故（E5+E1）＜（E4+ E2）；

II．(2) ①反應(yīng)i.放熱，反應(yīng)ii吸熱，溫度改變時(shí)， 反應(yīng)i 和反應(yīng) ii 平衡移動(dòng)方向相反，所以體系中CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)受溫度的影響不大；

②反應(yīng)ii的平衡常數(shù) ，根據(jù)圖示，250°C時(shí)，CO2、H2的濃度大于CO 、H2O，所以250°C時(shí)，反應(yīng) i i 的平衡常數(shù)＜1；

③A．加入適量CO，反應(yīng)iii正向移動(dòng)，能提高甲醇產(chǎn)率，故不選A；

B．增大壓強(qiáng)，反應(yīng)i、iii正向移動(dòng)，能提高甲醇產(chǎn)率，故不選B；

C．循環(huán)利用原料氣，提高原料氣的利用率，能提高甲醇產(chǎn)率，故不選C；

D．升高溫度，反應(yīng)i、iii逆向移動(dòng)，不能提高甲醇產(chǎn)率，故選D；

④根據(jù)圖示，升高溫度，氫氣的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)增大，CO2的物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)受溫度的影響不大，所以隨溫度升高，n(H2)/ n(CO2)增大，如圖：；

(3)根據(jù)反應(yīng)歷程圖，HCOOH*+2H2(g) = H2COOH*+H2的活化能最大為-0.18-(-1.66)=1.48，反應(yīng)最慢，所以生成甲醇的決速步驟的反應(yīng)方程式為HCOOH*+2H2(g) = H2COOH*+H2。