問題詳情:
(1)2017年中科院某研究團隊通過設計一種新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能符合催化劑,成功實現了CO2直接加*製取**值汽油,該研究成果被評價為“CO2催化轉化領域的突破*進展”。
已知:H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1=-285.8KJ/mol
C8H18 (1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH3=-5518KJ/mol
試寫出25℃、101kPa條件下,CO2與H2反應生成汽油(以C8H18表示)的熱化學方程式________
(2)利用CO2及H2為原料,在合適的催化劑(如Cu/ZnO催化劑)作用下,也可合成CH3OH,涉及的反應有:
*:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H=-53.7 kJ·mol-1平衡常數 K1
乙:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H=+41.2 kJ·mol-1平衡常數K2
①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數K=______(用含K1、K2的表達式表示),該反應H_____0(填“大於”或“小於”)。
②提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有___________(填寫兩項)。
③催化劑和反應體系的關係就像鎖和鑰匙的關係一樣,具有高度的選擇*。下列四組實驗,控制CO2和H2初始投料比均為1:2.2,經過相同反應時間(t1min)
温度(K) | 催化劑 | CO2轉化率(%) | *醇選擇*(%) | 綜合選項 |
543 | Cu/ZnO納米棒材料 | 12.3 | 42.3 | A |
543 | Cu/ZnO納米片材料 | 11.9 | 72.7 | B |
553 | Cu/ZnO納米棒材料 | 15.3 | 39.1 | C |
553 | Cu/ZnO納米片材料 | 12.0 | 71.6 | D |
由表格中的數據可知,相同温度下不同的催化劑對CO2的轉化為CH3OH的選擇*有顯著影響,根據上表所給數據結合反應原理,所得最優選項為___________(填字母符號)。
(3)以CO、H2為原料合成*醇的反應為:CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)。在體積均為2L的三個恆容密閉Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中,分別都充入1molCO和2molH2,三個容器的反應温度分別為T1、T2、T3且恆定不變。圖1為三個容器中的反應均進行到5min時H2的體積分數示意圖,其中有一個容器反應一定達到平衡狀態。CO的平衡轉化率在不同壓強下隨温度的變化如圖所示。
①0~5 min時間內容器Ⅱ中用CH3OH表示的化學反應速率為__________。
②三個容器中一定達到平衡狀態的是容器________(填寫容器代號)。
③工業實際合成CH3OH生產中,採用圖2中M點而不是N點對應的反應條件,運用化學反應速率和化學平衡知識,同時考慮生產實際,説明選擇該反應條件的理由_________________________。
【回答】
【*】 (1). 8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1)+16H2O(1) ΔH=-1627KJ/mol (2). K=K1/K2 (3). 小於 (4). 降低温度、減少產物濃度 (5). B (6). 0.0875mol/(L·min) (7). Ⅲ (8). M點的轉化率較高,化學反應速率大,設備承壓力小(若答為:M點轉化率較高,催化劑活*大,設備承壓力小等合理*得分)
【解析】(1)已知:①H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1=-285.8kJ/mol,
②C8H18 (1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH3=-5518kJ/mol,
根據蓋斯定律,由①×25-②得反應方程式:8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1) +16H2O(1) ΔH=20ΔH1-ΔH2=-285.8kJ/mol ×25-(-5518kJ/mol)= -1627kJ/mol;
(2) ①已知*:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H=-53.7 kJ·mol-1平衡常數 K1
乙:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H=+41.2 kJ·mol-1平衡常數K2
根據蓋斯定律,由*-乙得反應CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常數K=;△H=-53.7 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-94.9 kJ·mol-1<0;②反應CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)是氣體體積縮小的放熱反應,提高CO2轉化為CH3OH平衡轉化率的措施有降低温度、減少產物濃度、按比例充入原料CO2和H2等;③由表中數據分析在相同温度下不同催化劑對*醇的選擇*有顯著影響,使用Cu/ZnO納米片催化劑時*醇選擇*高;使用相同的催化劑在不同温度下,雖然二氧化碳的轉化率增加,*醇的選擇*卻減小,説明温度升高,副產物增加,因此綜合考慮選B選項;(3)①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
開始時的物質的量:1 2 0
轉化的物質的量: a 2a a
平衡時的物質的量:1-a 2-2a a
容器Ⅱ中0~5 min內H2含量是20%,a=,v(CH3OH)= 0.0875mol/(L·min);②Ⅲ中温度高*氣含量高,説明達到平衡升高温度平衡逆向移動,*氣含量增加;③温度高化學反應速率增大,M點的轉化率較高,化學反應速率大,設備承壓力小或M點轉化率較高,催化劑活*大,設備承壓力小,因此選擇M點條件。
知識點:化學反應速率 化學平衡
題型:綜合題