Question

14．二氧化碳的捕集、利用與封存（CCUS）是我國能源領域的一個重要戰略方向，CCUS或許發展成一項重要的新興產業．
（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1
反應CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g） 的△H=a+2b-2ckJ•mol^-1．
（2）利用廢氣中的CO₂為原料制取甲醇，反應方程式為：CO₂+3H₂═CH₃OH+H₂O其他條件相同，該甲醇合成反應在不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反應相同時間后，CO₂的轉化率隨反應溫度的變化如圖1所示．
①a點所代表的狀態不是（填“是”或“不是”）平衡狀態．
②c點CO₂的轉化率高于b點，原因是b、c點都未達到平衡狀態，c點溫度高，反應速率快，二氧化碳的轉化率較大．

（3）在實際生產中發現，隨著甲醇的生成，還伴隨有少量CO副產物出現：CO₂+H₂?CO+H₂O，且CO₂的轉化率、甲醇的產率和CO含量除受濃度、度、壓強等因素影響外，還受催化劑CuO的質量分數、氣體混合物在反應鍋爐內的流動速率影響（用空間流率表示）．通過實驗分別得到數據圖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整催化劑配比，并記錄到達平衡所需的時間，得到如如表數據，試說明不選擇單組份ZnO原因是使用單組分ZnO時反應速率雖然快，但是由圖3可知，二氧化碳轉化率、甲醇的產率都過低，實際生產中沒有意義，故不采用．

催化劑組分質量分數（%）	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

（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的投料比充入反應器中，發生反應：2CO₂（g）+6H₂（g）$\stackrel{催化劑}{?}$C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，不同溫度下平衡時的四種氣態物質的物質的量如圖4所示：
①該進行的反應的△S＜0（填：“＞”或“＜”）
②對于氣體反應，用某組分（B）的平衡壓強（p_B）代替物質的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數（記作K_P），則該反應的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^-1，①+②×2-2×③可以得到反應反應CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），據蓋斯定律來計算反應的焓變；
（2）①催化劑只能改變反應速率，不能改變化學平衡；
②b、c點均未達到平衡狀態，升高溫度，化學反應速率加快，CO₂的轉化率較大；
（3）圖象分析生產甲醇的氣體最佳流動速率，二氧化碳轉化率最大，甲醇產量最大；使用單組份ZnO時反應速率雖然最快，但是由圖可知，CO₂轉化率、CH₃OH產率均過低；
（4）①反應是氣體系數和減小的反應，則熵變小于零；
②Kp等于各產物平衡壓強系數次方的乘積和各個反應物平衡濃度系數次方的乘積的比值；
③為提高CO₂的平衡轉化率，使得化學平衡正向移動即可．

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^-1，①+②×2-2×③可以得到反應反應CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），據蓋斯定律來計算反應的焓變△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速率，不能改變化學平衡，所以最終不同催化劑（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下達平衡時CO₂的轉化率相同，故a點所代表的狀態不是平衡狀態，故答案為：不是；
②b、c點均未達到平衡狀態，c點溫度比b點高，反應速率較快，故CO₂的轉化率較大；
故答案為：b、c點都未達到平衡狀態，c點溫度高，反應速率快，二氧化碳的轉化率較大；
（3）①圖象分析生產甲醇的氣體最佳流動速率，二氧化碳轉化率最大，甲醇產量最大，分析圖象數據可知最佳流動速率在3600以上都可以；故答案為：3600；
②使用單組份ZnO時反應速率雖然最快，但是由圖可知，CO₂轉化率、CH₃OH產率均過低實際生產中沒有意義，故不采用；
故答案為：使用單組分ZnO時反應速率雖然快，但是由圖3可知，二氧化碳轉化率、甲醇的產率都過低，實際生產中沒有意義，故不采用．
（4）①反應是氣體系數和減小的反應，則熵變小于零，則△S＜0，故答案為：＜；
②對于氣體反應，用某組分（B）的平衡壓強（p_B）代替物質的量濃度（c_B）也可以表示平衡常數（記作K_P），則該反應的Kp等于各產物平衡壓強系數次方的乘積和各個反應物平衡濃度系數次方的乘積的比值，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的量的比值，故答案為：增大壓強；提高氫氣和二氧化碳物質的量的比值．

點評 本題考查了化學平衡的影響、熱化學方程式的計算應用，圖象分析是關鍵，題目難度中．