Question

【题目】航天员呼吸产生的CO2用下列反应处理，可实现空间站中O2的循环利用。

sabatior反应：CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g)

水电解反应：2H2O(l)2H2(g) + O2(g)

(1)将原料气按nCO2∶nH2=1:4置于密闭容器中发生Sabatier反应，测得H2O(g)的物质的量分数与温度的关系如图所示(虚线表示平衡曲线)。

①己知H2(g)、CH4(g)的燃烧热分别为A kJ/mol、BkJ/mol， H2O(l)=H2O(g) △H =C kJ／mol。计算Sabatier反应的△H=___kJ/mol。

②温度过高或过低均不利于该反应的进行，原因是________。

③200℃达到平衡时体系的总压强为p，该反应平衡常数Kp的计算式为________。(不必化简。用平衡分压代替平衡浓度计算，分压＝总压×物质的量分数)

(2)Sabatier反应在空间站运行时，下列措施能提高CO2转化效率的是______(填标号)。

A.适当减压 B.增大催化剂的比表面积

C.反应器前段加热，后段冷却 D.提高原料气中CO2所占比例

E.合理控制反应器中气体的流速

(3) 一种新的循环利用方案是用Bosch反应CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)代替Sabatier反应。

在250℃，向体积为2L且带气压计的恒容密闭容器中通入0.08molH2和0.04molCO2发生Bosch 反应CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g) △ H

①若反应起始和平衡时温度相同(均为250℃)，测得反应过程中压强(P)随时间(t)的变化如图I 曲线a所示，则△H___ 0(填“>”“<”或“不确定”) ；若其它条件相同，仅改变某一条件时，测得其压强(P)随时间(t)的变化如图I 曲线b所示，则改变的条件是______________。

②图II是甲、乙两同学描绘上述反应平衡常数的对数值(lgK)与温度的变化关系，其中正确的曲线是____________(填“甲”或“乙”)：m值为____________。

③Bosch反应必须在高温下才能启动，原因是__________________。

Answer 1

【答案】 4A-B+2C (2分)或(-4A+B＋2C) 温度过低，反应速率小；温度过高，平衡向右进行的程度小 BCE < 加入催化剂 乙 2 反应的活化能高

【解析】（1）①己知H2(g)、CH4(g)的燃烧热分别为A kJ/mol、BkJ/mol，则

ⅰ、O2(g)+2H2(g)＝2H2O(l) △H =2A kJ/mol

ⅱ、2O2(g)+CH4(g)＝2H2O(l)+CO2(g) △H =B kJ/mol

ⅲ、H2O(l)=H2O(g) △H =CkJ/mol

根据盖斯定律可知ⅰ×2－ⅱ+ⅲ×2即得到Sabatier反应的△H=(4A-B+2C)kJ/mol。

②温度过低，反应速率很小；温度过高，反应向右进行的程度小，故温度过高或过低均不利于该反应的进行。③200℃时平衡体系中H2O(g)的物质的量分数为0.6，根据反应化学方程式CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)，所以CH4的物质的量分数为0.3，因此CO2和H2的物质的量分数共为0.1，又因为原料气按∶=1∶4置于密闭容器中发生Sabatier反应，所以CO2的物质的量分数为0.02，H2的物质的量分数为0.08；达到平衡时体系的总压强为p，则四种物质的分压分别为：p(CO2)=0.02p、p(H2)=0.08p、p(CH4)=0.3p、p(H2O)=0.6p，所以该反应平衡常数Kp为： 。

（2）首先明确：转化效率不等于转化率。A、适当减压化学反应速率降低、降低平衡转化率，A错误；B、增大催化剂的比表面积，提高了化学反应速率，能提高CO2转化效率，B正确；C、反应器前段加热，加快反应速率，后段冷却，提高平衡转化率，C正确；D、提高原料气中CO2所占比例，降低CO2的转化率，D错误；E、合理控制反应器中气体的流速，可使反应物充分反应，提高了CO2转化效率，E正确。答案选BCE。

（3）①由图1分析可知，随反应的进行压强先增大后减小，5min达到平衡状态，推知开始因反应是放热的，随反应进行温度升高，压强增大；反应到一定程度，因反应物浓度减小，随反应正向进行，压强反而减小，到压强随时间变化不变时，达到平衡状态，反应焓变为：△H＜0；根据图像可知改变条件后缩短了达到平衡的时间，但并没有改变平衡状态，则改变的条件是加入催化剂。②正反应放热，升高温度平衡向逆反应方向进行，平衡常数减小，则正确的曲线是乙；根据方程式可知：

CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)

起始浓度（mol/L） 0.02 0.04 0

变化浓度（mol/L） x 2x 2x

平衡浓度（mol/L） 0.02-x 0.04-2x 2x

压强之比等于物质的量之比，则6/5=(0.02+0.04)/(0.06x)，解得：x=0.01，所以平衡常数K=，所以lgK=lg100=2＝m。③Bosch反应为放热反应，一定条件下必须在高温下才能启动，说明高温条件才能引发此反应开始，故该反应的活化能很高。