Question

【題目】航天員呼吸產(chǎn)生的CO2用下列反應(yīng)處理，可實現(xiàn)其合理利用。反應(yīng)Ⅰ：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)

(1)己知H2(g)、CH4(g)的燃燒熱分別為A kJ/mol、B kJ/mol， H2O(l)=H2O(g) △H =+C kJ/mol。計算反應(yīng)Ⅰ的△H=_______kJ/mol。

(2)將原料氣按n(CO2)∶n(H2)=1：4置于密閉容器中發(fā)生反應(yīng)Ⅰ，測得H2O(g)的物質(zhì)的量分數(shù)與溫度的關(guān)系如圖所示(虛線表示平衡曲線)。

①溫度過高或過低均不利于該反應(yīng)的進行，原因是________。

②200℃達到平衡時體系的總壓強為p，該反應(yīng)平衡常數(shù)Kp的計算式為____。(不必化簡。用平衡分壓代替平衡濃度計算)

(3)一種新的利用方案是Ⅱ：反應(yīng)：CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g) △H

①向體積為2 L且?guī)�氣壓計的恒容密閉容器中通入0.08 mol H2和0.04 mol CO2發(fā)生反應(yīng)Ⅱ。若反應(yīng)起始和平衡時溫度相同(均為250℃)，測得反應(yīng)過程中壓強(P)隨時間(t)的變化如圖1曲線a所示，則△H___ 0(填“>”“<”或“不確定”)

②若其它條件相同，僅改變某一條件時，測得其壓強(P)隨時間(t)的變化如圖1曲線b所示，則改變的條件是_______。

③圖2是甲、乙兩同學(xué)描繪上述反應(yīng)平衡常數(shù)的對數(shù)值(lgK)與溫度的變化關(guān)系，其中正確的曲線是_______（填“甲”或“乙”），m值為______。

④反應(yīng)Ⅱ必須在高溫下才能啟動，原因是______________。

(4)科學(xué)家還研究了處理CO2(g)另外的方法，利用下圖所示裝置可以將CO2轉(zhuǎn)化為氣體燃料CO。該裝置工作時，N電極的電極反應(yīng)式為______________。

Answer 1

【答案】- 4A+B+2C 溫度過低，反應(yīng)速率小；溫度過高，平衡向右進行的程度小 < 加入催化劑 乙 2 反應(yīng)的活化能高（或破壞舊鍵需要消耗較高的能量） CO2+2H++2e-=CO+H2O

【解析】

(1)先寫出表示H2(g)、CH4(g)的燃燒熱的熱化學(xué)方程式，然后結(jié)合水狀態(tài)變化的熱化學(xué)方程式，根據(jù)蓋斯定律，可得待求反應(yīng)的熱化學(xué)方程式；

(2)①根據(jù)溫度對化學(xué)反應(yīng)速率和化學(xué)平衡移動的影響分析；

②根據(jù)200℃H2O的物質(zhì)的量分數(shù)及物質(zhì)反應(yīng)轉(zhuǎn)化關(guān)系得到平衡時各組成成分占總量的含量，利用壓強比等于氣體的物質(zhì)的量的比，帶入平衡常數(shù)表達式可得Kp的值；

(3)①由圖1分析可知，隨反應(yīng)的進行壓強先增大后減小，5 min達到平衡狀態(tài)，推知開始因反應(yīng)是放熱的，隨反應(yīng)進行溫度升高，壓強增大；反應(yīng)到一定程度，因反應(yīng)物濃度減小，隨反應(yīng)正向進行，壓強反而減小，到壓強隨時間變化不變時，達到平衡狀態(tài)；

②化學(xué)反應(yīng)速率加快，平衡不動。改變的條件是加入催化劑；

③依據(jù)計算得到平衡時物質(zhì)的濃度，結(jié)合平衡常數(shù)概念計算得到平衡常數(shù)，來計算；溫度升高，平衡左移，K減小，lgK減小，曲線選乙；

④該反應(yīng)所需的活化能較高。

(4)根據(jù)圖示可知CO2在N 電極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生CO，據(jù)此書寫電極反應(yīng)式。

(1)己知H2(g)、CH4(g)的燃燒熱分別為A kJ/mol、B kJ/mol，可得熱化學(xué)方程式：① H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H =-A kJ/mol；

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

③H2O(l)=H2O(g) △H =+C kJ/mol。

根據(jù)蓋斯定律，將①×4-②+③×2，整理可得反應(yīng)CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) 的反應(yīng)熱△H=(- 4A+B+2C) kJ/mol；

(2)①溫度過低，化學(xué)反應(yīng)速率小，單位時間內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)生的物質(zhì)較少；根據(jù)溫度升高，H2O的物質(zhì)的量分數(shù)降低，說明升高溫度，化學(xué)平衡逆向移動。根據(jù)平衡移動原理，升高溫度，化學(xué)平衡向吸熱反應(yīng)方向移動，逆反應(yīng)為吸熱反應(yīng)，則該反應(yīng)的正反應(yīng)為放熱反應(yīng)。溫度過高時，升高溫度，盡管化學(xué)反應(yīng)速率加快，但化學(xué)平衡向吸熱的逆反應(yīng)方向移動，使反應(yīng)向正反應(yīng)方向進行的程度小，會使物質(zhì)的平衡含量不高；

②根據(jù)圖象可知：在200℃時反應(yīng)達到平衡時，H2O的物質(zhì)的量分數(shù)是0.6，由反應(yīng)方程式CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)中物質(zhì)轉(zhuǎn)化關(guān)系可知：CH4(g)的物質(zhì)的量分數(shù)為0.3，則CO2(g)、H2(g)的物質(zhì)的量分數(shù)和為1-0.6-0.3=0.1，由于二者反應(yīng)時物質(zhì)的量的比是1：4，加入的物質(zhì)的量的比也是1：4，因此平衡時二者的物質(zhì)的量的比還是1：4，故CO2(g)占0.1×=0.02，H2(g) 占0.1×=0.08。在相同外界條件下，氣體的物質(zhì)的量的比等于氣體所占的壓強之比，故用平衡分壓表示的該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù)Kp=；

(3)①由圖1分析可知，隨著反應(yīng)的進行壓強先增大后減小，5 min達到平衡狀態(tài)，由于該反應(yīng)的正反應(yīng)是氣體體積減小的反應(yīng)，而反應(yīng)開始后氣體壓強增大，說明該反應(yīng)的正反應(yīng)是放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進行氣體溫度升高，體系壓強增大，故△H <0；反應(yīng)到一定程度，因反應(yīng)物濃度減小，隨反應(yīng)正向進行，壓強不斷減小，當(dāng)體系的壓強不再隨時間變化而改變時，反應(yīng)達到平衡狀態(tài)；

②由圖知：改變條件后，化學(xué)反應(yīng)速率加快，但化學(xué)平衡不移動，說明改變的條件為加入催化劑；

③溫度升高，化學(xué)平衡逆向移動，化學(xué)平衡常數(shù)K減小，lgK 減小，故應(yīng)該選擇曲線乙；在反應(yīng)開始時n(H2)=0.08 mol，n(CO2)=0.04 mol，假設(shè)反應(yīng)的H2物質(zhì)的量為x，則反應(yīng)CO2物質(zhì)的量為x，反應(yīng)產(chǎn)生H2O的物質(zhì)的量為2x，因此平衡時各種氣體的物質(zhì)的量：n(H2)=(0.08-2x) mol，n(CO2)=(0.04-x) mol，n(H2O)=2x mol，由于相同條件下氣體的壓強之比等于氣體的物質(zhì)的量之比，可得，解得x=0.02 mol，反應(yīng)是在體積為2 L的恒容密閉容器中進行，則平衡時各種氣體的濃度c(CO2)==0.0 mol/L，c(H2)==0.02 mol/L，c(H2O)==0.02 mol/L，則該條件下的化學(xué)平衡常數(shù)K==100，所以lgK=1g100=2；

④斷裂二氧化碳和氫氣的化學(xué)鍵變?yōu)樵�子需較高的能量，所以該反應(yīng)所需的活化能較高，因此一定條件下該反應(yīng)必須在高溫下才能啟動；

(4)根據(jù)圖示可知CO2在N電極得到電子，發(fā)生還原反應(yīng)產(chǎn)生CO，則N電極的電極反應(yīng)式為：CO2+2H++2e-=CO+H2O。