Question

17．航天員呼吸產(chǎn)生的CO₂用下列反應處理，可實現(xiàn)空間站中O₂的循環(huán)利用．
Sabatier反應：CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
水電解反應：2H₂O（l）$\frac{\underline{\;電解\;}}{\;}$2H₂（g）+O₂（g）
（1）將原料氣按n（CO₂）：n（H₂）=1：4置于5L恒容密閉容器中發(fā)生Sabatier反應（整個過程不再充入任何物質(zhì)），測得φ（H₂O）與溫度的關系如圖所示（虛線表示平衡曲線）．
①400℃以上，上述體系中反應的平衡常數(shù)K隨φ（H₂O）降低而減�。ㄌ睢霸龃蟆薄ⅰ皽p小”或“不變”）．
②溫度過高或過低均不利于該反應的進行，原因是溫度過低，反應速率慢，單位時間內(nèi)產(chǎn)率低；溫度過高，反應物轉(zhuǎn)化率低．
③Sabatier反應產(chǎn)生的CH₄可用于消除空間站中NO_x （NO和NO₂混合氣體）的污染，實驗測得相同狀況下25mL CH₄可反應掉80mLNOx，則氮氧化物中NO和NO₂的體積比為3：1．
（2）Sabatier反應在空間站運行時，下列措施能提高CO₂平衡轉(zhuǎn)化率的是b（填標號）．
a．增大催化劑的比表面積
b．反應器前段加熱，后段冷卻
c．提高原料氣中CO₂所占比例
（3）500℃時，在恒壓容器中充入1molCO₂、4mol H₂，初始體積為5L，經(jīng)過5min達到平衡，α（CO₂）=75%，則該溫度下，Sabatier反應的平衡常數(shù)K=82.7．（保留三位有效數(shù)字）
（4）一種新的循環(huán)利用方案是用Bosch反應代替Sabatier反應．
①經(jīng)測定：Bosch反應平衡體系中，除生成了碳單質(zhì)且φ（CH₄）=0外，其他所含物質(zhì)及其聚集狀態(tài)與Sabatier反應體系中相同．已知CO₂（g）、H₂O（g）的生成焓分別為-394kJ•mol^-1、-242kJ•mol^-1．（生成焓指一定條件下由對應單質(zhì)生成1mol化合物時的焓變）
寫出Bosch反應的熱化學方程式：CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=90kJ/mol．
②一定條件下Bosch反應必須在高溫下才能啟動，原因是反應的活化能高；若使用催化劑，在較低溫度下反應就能啟動．

Answer 1

分析 （1）①根據(jù)圖知，當反應達到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質(zhì)的量分數(shù)減小，說明平衡逆向移動；
②溫度過低，化學反應速率小；溫度過高，平衡逆向移動；
③根據(jù)相同狀況下，氣體的體積比與物質(zhì)的量成正比，根據(jù)原子守恒和水的分子組成計算；
（2）改變條件能使平衡正向移動但不能是通過增大二氧化碳濃度實現(xiàn)的都能提高二氧化碳轉(zhuǎn)化率；
（3）CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始物質(zhì)的量（mol）       1           4                0               0
變化物質(zhì)的量（mol）       0.75       3              0.75          1.5
平衡物質(zhì)的量（mol）      0.25        1               0.25          1.5
結(jié)合恒壓條件下，氣體的體積與物質(zhì)的量成正比，計算出平衡時的體積，再結(jié)合濃度計算平衡常數(shù)；
 （4）①Bosch反應的△H等于水的生成焓的二倍減去二氧化碳的生成焓；
②該反應所需的活化能較高．

解答 解：（1）①根據(jù)圖知，當反應達到平衡狀態(tài)后，升高溫度，水的物質(zhì)的量分數(shù)減小，說明平衡逆向移動，則生成物濃度減小、反應物濃度增大，所以化學平衡常數(shù)減小，故答案為：減小；
②溫度過低，化學反應速率慢，單位時間內(nèi)產(chǎn)率低；溫度過高，平衡逆向移動，反應物轉(zhuǎn)化率低，所以溫度過高或過低均不利于該反應的進行，
故答案為：溫度過低，反應速率慢，單位時間內(nèi)產(chǎn)率低；溫度過高，反應物轉(zhuǎn)化率低；
③根據(jù)阿伏加德羅定律可知，相同狀況下25mL CH₄可反應掉80mLNOx，CH₄與NOx的物質(zhì)的量之比為25：80，兩者完全反應生成N₂、CO₂和水，設NO的體積為xmL，NO₂的體積為ymL，根據(jù)水的分子組成可知，則：
$\left\{\begin{array}{l}{x+y=80}\\{\frac{25×4}{x+2y-25×2}=2：1}\end{array}\right.$，解得：x=60、y=20，則氮氧化物中NO和NO₂的體積比為60：20=3：1，
故答案為：3：1；
（2）a．增大催化劑的比表面積，可以加快反應速率，但不影響平衡的移動，二氧化碳轉(zhuǎn)化率不變，故a錯誤；
b．反應器前段加熱，后段冷卻，平衡正向移動，二氧化碳轉(zhuǎn)化率增大，故b正確；
c．提高原料氣中CO₂所占比例，平衡正向移動，但二氧化碳轉(zhuǎn)化率減小，故c錯誤；
故答案為：b；
（3）CO₂（g）+4H₂（g）?CH₄（g）+2H₂O（g）
起始物質(zhì)的量（mol）       1           4                0               0
變化物質(zhì)的量（mol）       0.75       3              0.75          1.5
平衡物質(zhì)的量（mol）      0.25        1               0.75          1.5
恒壓條件下，氣體的體積與物質(zhì)的量成正比，則平衡時的氣體體積為5L×$\frac{0.25+1+0.75+1.25}{1+4}$=3.25L，平衡時CO₂的濃度為$\frac{0.25}{3.25}$mol/L=$\frac{1}{13}$mol/L、H₂的濃度為$\frac{1}{3.25}$mol/L=$\frac{4}{13}$mol/L、CH₄的濃度為$\frac{0.75}{3.25}$mol/L=$\frac{3}{13}$mol/L、H₂O的濃度為$\frac{1.5}{3.25}$mol/L=$\frac{6}{15}$mol/L，此反應的平衡常數(shù)K=$\frac{\frac{3}{13}×（\frac{6}{13}）^{2}}{\frac{1}{13}×（\frac{4}{13}）^{4}}$=82.7，
故答案為：82.7；
（4）①由蓋斯定律可知，Bosch反應的△H=2（-242kJ•mol^-1）-（-394kJ•mol^-1）=-90kJ/mol，則此反應的熱化學方程式為：CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=90kJ/mol；
故答案為：CO₂（g）+2H₂（g）?C（s）+2H₂O（g）△H=90kJ/mol；
②斷裂二氧化碳和氫氣所需的能量較高，所以該反應所需的活化能較高，則一定條件下Bosch反應必須在高溫下才能啟動，故答案為：反應的活化能高．

點評 本題考查化學平衡計算、化學平衡影響因素等知識點，為高頻考點，側(cè)重考查學生分析、判斷及計算能力，難點是NOx氣體的組成計算，應結(jié)合原子守恒、阿伏加德羅定律及水的分子組成解題．