Question

【題目】現代工業的發展導致CO2的大量排放，對環境造成的影響日益嚴重，通過各國科技工作者的努力，已經開發出許多將CO2回收利用的技術，其中催化轉化法最具應用價值。回答下列問題：

（1）在催化轉化法回收利用CO2的過程中，可能涉及以下化學反應：

①CO2(g)+2H2O(1)CH3OH(1)+O2(g) △H=+727kJ·mol-1 △G=+703kJ·mol-1

②CO2(g)+2H2O(1)CH4(g)+2O2(g) △H=+890kJ·mol-1 △G=+818kJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)CH3OH(1)+H2O(1) △H=-131kJ·mol-1 △G=-9.35kJ·mol-1

④CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(1) △H=-253kJ·mol-1 △G=-130kJ·mol-1

從化學平衡的角度來看，上述化學反應中反應進行程度最小的是____，反應進行程度最大的是_____。

（2）反應CO2(g)+4H2(g)=CH4(g) +2H2O(g)稱為Sabatier反應，可用于載人航空航天工業。我國化學工作者對該反應的催化劑及催化效率進行了深入的研究。

①在載人航天器中利用Sabatier反應實現回收CO2再生O2，其反應過程如圖所示，這種方法再生O2的最大缺點是需要不斷補充_________（填化學式）。

②在1.5 MPa，氣體流速為20 mL·min-l時研究溫度對催化劑催化性能的影響，得到CO2的轉化率(%)如下：

分析上表數據可知：_____（填化學式）的催化性能更好。

③調整氣體流速，研究其對某一催化劑催化效率的影響，得到CO2的轉化率(%)如下：

分析上表數據可知：相同溫度時，隨著氣體流速增加，CO2的轉化率____（填“增大”或“減小”），其可能的原因是_________________________________。

④在上述實驗條件中，Sabatier反應最可能達到化學平衡狀態的溫度是____，已知初始反應氣體中V(H2):V(CO2) =4:l，估算該溫度下的平衡常數為 ___________（列出計算表達式）。

（3）通過改變催化劑可以改變CO2與H2反應催化轉化的產物，如利用Co／C作為催化劑，反應后可以得到含有少量甲酸的甲醇。為了研究催化劑的穩定性，將Co/C催化劑循環使用，相同條件下，隨著循環使用次數的增加，甲醇的產量如圖所示，試推測甲醇產量變化的原因_________________________________。（已知Co的性質與Fe相似）

Answer 1

【答案】② ④ H2 Co4N/Al2O3 減小 氣流流速加快，導致反應物與催化劑接觸時間不夠 360℃ 反應產生的甲酸腐蝕催化劑，使催化劑活性降低

【解析】

（1）在溫度、壓強一定的條件下，反應總是向△G＜0的方向進行，由此判斷。

（2）①分析反應過程圖，CO2、O2、H2O屬于循環過程中始終在循環過程中的，而H2屬于循環過程中加入的，由此可知正確答案；

②分析表中數據，在相同溫度下，對比不同催化劑時CO2的轉化率可選擇出催化性能更好的催化劑；

③分析表中數據，在溫度不變的情況下，氣流速度增大，CO2的轉化率逐漸降低，據此分析原因；

④分析表中數據，大部分數據顯示，在氣流速度不變的情況下，CO2的轉化率隨著溫度的增大而逐漸增大，但增大的幅度在逐漸減小，故在上述實驗條件中，Sabatier反應最可能達到化學平衡狀態的溫度是360℃，根據此時CO2的轉化率，計算該溫度下的平衡常數；

（3）由圖可知，隨著Co/C催化劑循環次數的增多，甲醇的產量逐漸降低，說明該催化劑在循環過程中受到一定程度的影響，結合產物的性質進行分析；

（1）分析四個反應，根據在溫度、壓強一定的條件下，反應總是向△G＜0的方向進行，反應的△G越小反應進行程度越大，反之反應進行的程度就越小，故上述化學反應中反應進行程度最小的是②，反應進行程度最大的是④。答案為：②；④；

（2）①分析循環圖，只有H2需不斷補充，答案為：H2；

②對比表中的數據，在相同溫度下，催化劑為Co4N/Al2O3時，CO2的轉化率更大，答案為：Co4N/Al2O3；

③分析表中數據，溫度不變時，隨著氣體流速的逐漸增大，CO2的轉化率逐漸減小，可能是氣體流速過快，來不及和催化劑充分接觸，導致CO2的轉化率減小。答案為：減小；氣流流速加快，導致反應物與催化劑接觸時間不夠；

④分析表中數據，大部分數據表明，在320℃至360℃時，氣體流速不變的情況下，CO2的轉化率的增大幅度在逐漸減小，由此可知Sabatier反應最可能達到化學平衡狀態的溫度是360℃，結合題中所給信息，選擇氣體流速為10mL·min-1時CO2的轉化率進行計算。

已知初始反應氣體中V(H2):V(CO2) =4:l，根據在密閉容器里，全部由氣體參與的反應中，壓強、溫度不變時，氣體的體積比等于物質的量之比，可知V(H2):V(CO2) = n(H2):n(CO2)=4:l，設初始氣體中H2的物質的量為4mol，CO2的物質的量為1mol，則有：

在密閉容器中，全部由氣體參與的反應中，平衡時氣體的物質的量之比=氣體物質的量濃度之比，可知該溫度下，該反應的平衡常數K=。答案為：360℃；；

（3）根據題中催化劑循環次數和甲醇產量的關系：催化劑的循環次數越多，甲醇的產量逐漸降低，說明催化劑一定程度受到了其他物質的影響，結合題給信息：用Co／C作為催化劑，反應后可以得到含有少量甲酸的甲醇。又已知Co的性質與Fe相似，說明甲酸可與催化劑中的Co進行反應，故催化劑的活性降低，進而影響甲醇的產量，答案為：反應產生的甲酸腐蝕催化劑，使催化劑活性降低。