Question

【題目】2019年國際非政府組織“全球碳計劃”12月4日發布報告：研究顯示，全球二氧化碳排放量增速趨緩。CO2的綜合利用是解決溫室問題的有效途徑。

(1)一種途徑是將CO2轉化成有機物實現碳循環。如：

C2H4(g)+H2O(l)=C2H5OH(l) ΔH1=-44.2kJ·mol-1

2CO2(g)+2H2O(l)=C2H4(g)+3O2(g) ΔH2=+1411.0kJ·mol-1

2CO2(g)+3H2O(l)=C2H5OH(l)+3O2(g) ΔH3=___。

(2)CO2甲烷化反應是由法國化學家Sabatier提出的，因此，該反應又叫Sabatier反應。CO2催化氫化制甲烷的研究過程如圖：

上述過程中，產生H2反應的化學方程式為__。

②HCOOH是CO2轉化為CH4的中間體：CO2HCOOHCH4。當鎳粉用量增加10倍后，甲酸的產量迅速減少，當增加鎳粉用量時，CO2鎳催化氫化制甲烷的兩步反應中反應速率增加較大的一步是__（填“I”或“Ⅱ”）。

(3)CO2經催化加氫可以生成低碳烴，主要有兩個競爭反應：

反應I：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)

反應Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)

在1L恒容密閉容器中充入1molCO2和4molH2，測得平衡時有關物質的物質的量隨溫度變化如圖所示。520℃時，CO2的轉化率為__，520℃時，反應I的平衡常數K=__。

(4)已知CO2催化加氫合成乙醇的反應原理為2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) ΔH。m代表起始時的投料比，即m=。圖1中投料比相同，溫度T3＞T2＞T1，則ΔH___（填“>”或“<”）0。

②m=3時，該反應達到平衡狀態后p(總)=20Mpa，恒壓條件下各物質的物質的量分數與溫度的關系如圖2。則曲線b代表的物質為___（填化學式），T4溫度時，反應達到平衡時物質d的分壓p(d)=___。

Answer 1

【答案】+1366.8kJ·mol-1 3Fe+4H2OFe3O4+4H2 Ⅱ 60% 0.005 < CO2 2.5MPa

【解析】

(1)C2H4(g)+H2O(l)=C2H5OH(l) ΔH1=-44.2kJ·mol-1

2CO2(g)+2H2O(l)=C2H4(g)+3O2(g) ΔH2=+1411.0kJ·mol-1

利用蓋斯定律，將兩個熱化學方程式直接相加，便可得出2CO2(g)+3H2O(l)=C2H5OH(l)+3O2(g)的ΔH3。

(2)轉化過程中，發生Fe+H2O(g)的反應，CO2與H2的反應，寫出反應方程式，便可確定產生H2反應的化學方程式。

②由前面信息中確定，增加鎳粉用量時，導致甲酸產量迅速減少，則表明第二步反應迅速進行。

(3)從圖中采集信息，進行計算，從而求出520℃時，CO2的轉化率和反應I的平衡常數K。

(4)從圖中可看出，降低溫度，H2的轉化率增大，從而表明降溫平衡正向移動，由此可求出ΔH與0的關系。

②溫度升高，平衡逆向移動，則反應物的物質的量分數增大，再由起始量關系，確定曲線b代表的物質，T4溫度時，利用三段式及圖中采集的信息，求出反應達到平衡時物質d的分壓p(d)。

(1)C2H4(g)+H2O(l)=C2H5OH(l) ΔH1=-44.2kJ·mol-1

2CO2(g)+2H2O(l)=C2H4(g)+3O2(g) ΔH2=+1411.0kJ·mol-1

利用蓋斯定律，將兩個熱化學方程式直接相加，便可得出2CO2(g)+3H2O(l)=C2H5OH(l)+3O2(g)的ΔH3=+1366.8kJ·mol-1。答案為：+1366.8kJ·mol-1；

(2)轉化過程中，發生反應：3Fe+4H2OFe3O4+4H2、CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)、CO2(g)+H2(g)HCOOH(ag)，便可確定產生H2反應的化學方程式為3Fe+4H2OFe3O4+4H2。答案為：3Fe+4H2OFe3O4+4H2；

②由前面信息中確定，增加鎳粉用量時，導致甲酸產量迅速減少，則表明第二步反應迅速進行，則反應速率增加較大的一步是Ⅱ。答案為：Ⅱ；

(3) 520℃時，反應Ⅰ中生成CH40.2mol，則消耗CO20.2mol；反應Ⅱ中生成C2H40.2mol，則消耗CO20.4mol，兩反應共消耗CO20.6mol，從而得出CO2的轉化率為=60%；反應Ⅰ中生成CH40.2mol，則同時生成H2O0.4mol，消耗CO20.2mol、H20.8mol；反應Ⅱ中生成C2H40.2mol，則消耗CO20.4mol、H21.2mol。兩反應共消耗CO20.6mol、H22mol，剩余CO20.4mol、H22mol，反應I的平衡常數K==0.005。答案為：60%；0.005；

(4)從圖中可看出，降低溫度，H2的轉化率增大，從而表明降溫平衡正向移動，由此可求出ΔH<0。答案為：<；

②溫度升高，平衡逆向移動，則反應物的物質的量分數增大，再由起始量關系，確定曲線a代表H2、b代表CO2，c代表H2O(g)、d代表C2H5OH。T4溫度時，m=3，令n(CO2)=2mol，則n(H2)=6mol，設CO2的物質的量為2x，建立如下三段式：

依題意得：2-2x=x，x=，平衡時乙醇的分壓為=2.5MPa。答案為：CO2；2.5MPa。