Question

【題目】現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展導(dǎo)致CO2的大量排放，對(duì)環(huán)境造成的影響日益嚴(yán)重，通過各國(guó)科技工作者的努力，已經(jīng)開發(fā)出許多將CO2回收利用的技術(shù)，其中催化轉(zhuǎn)化法最具應(yīng)用價(jià)值。回答下列問題：

（1）在催化轉(zhuǎn)化法回收利用CO2的過程中，可能涉及以下化學(xué)反應(yīng)：

①CO2(g)+2H2O(l)CH3OH(l)+O2(g) ΔH=+727kJ·mol-1 ΔG=+818kJ·mol-1

②CO2(g)+3H2O(l)CH4(g)+O2(g) ΔH=+890kJ·mol-1 ΔG=+818kJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔH=-131kJ·mol-1 ΔG=-9.35kJ·mol-1

④CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(l) ΔH=-253kJ·mol-1 ΔG=-130kJ·mol-1

從化學(xué)平衡的角度來看，上述化學(xué)反應(yīng)中反應(yīng)進(jìn)行程度最小的是__，反應(yīng)進(jìn)行程度最大的是__。

（2）反應(yīng)CO2+4H2CH4+2H2O稱為Sabatier反應(yīng)，可用于載人航空航天工業(yè)。我國(guó)化學(xué)工作者對(duì)該反應(yīng)的催化劑及催化效率進(jìn)行了深入的研究。

①在載人航天器中利用Sabatier反應(yīng)實(shí)現(xiàn)回收CO2，再生O2，其反應(yīng)過程如圖所示，這種方法再生O2的最大缺點(diǎn)是需要不斷補(bǔ)充__(填化學(xué)式)。

②在1.5MPa，氣體流速為20mL·min-1時(shí)研究溫度對(duì)催化劑催化性能的影響，得到CO2的轉(zhuǎn)化率(%)如下：

催化劑	180℃	200℃	220℃	280℃	300℃	320℃	340℃	360℃
Co4N/Al2O3	8.0	20.3	37.3	74.8	84.4	85.3	868	90.1
Co/Al2O3	0.2	0.7	2.0	22.4	37.6	48.8	54.9	59.8

分析上表數(shù)據(jù)可知：__(填化學(xué)式)的催化性能更好。

③調(diào)整氣體流速，研究其對(duì)某催化劑催化效率的影響，得到CO2的轉(zhuǎn)化率(%)如下：

氣體流速/mL·min-1	180℃	200℃	220℃	280℃	300℃	320℃	340℃	360℃
10	11.0	25.1	49.5	90.2	93.6	97.2	98.0	98.0
30	4.9	11.2	28.9	68.7	72.7	79.8	82.1	84.2
40	0.2	5.2	15.3	61.2	66.2	71.2	76.6	79.0
50	0.2	5.0	10.0	50.0	59.5	61.2	64.1	69.1

分析上表數(shù)據(jù)可知：相同溫度時(shí)，隨著氣體流速增加，CO2的轉(zhuǎn)化率__(填“增大”或“減小”)，其可能的原因是__。

④在上述實(shí)驗(yàn)條件中，Sabatier反應(yīng)最可能達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的溫度是__，在1L恒容密閉容器中發(fā)生該反應(yīng)，已知初始反應(yīng)氣體中V(H2)：V(CO2)=4：1，估算該溫度下的平衡常數(shù)為__(列出計(jì)算表達(dá)式)。

（3）通過改變催化劑可以改變CO2與H2反應(yīng)催化轉(zhuǎn)化的產(chǎn)物，如利用Co/C作為催化劑，反應(yīng)后可以得到含有少量甲酸的甲醇。為了研究催化劑的穩(wěn)定性，將Co/C催化劑循環(huán)使用，相同條件下，隨著循環(huán)使用次數(shù)的增加，甲醇的產(chǎn)量如圖所示，試推測(cè)甲醇產(chǎn)量變化的原因__。(已知Co的性質(zhì)與Fe相似)

Answer 1

【答案】② ④ H2 Co4N/Al2O3 減小 氣體流速加快，導(dǎo)致反應(yīng)物與催化劑接觸時(shí)間不夠 360℃ 反應(yīng)產(chǎn)生的甲酸腐蝕催化劑，使催化劑活性降低

【解析】

（1）自由能越小，反應(yīng)越容易發(fā)生，反應(yīng)的焓變不隨溫度變化而發(fā)生變化，反應(yīng)的自由能與溫度有關(guān)，上述反應(yīng)的自由能所處溫度相同，反應(yīng)①②的自由能均大于0，且二者自由能相等，反應(yīng)②在反應(yīng)過程中吸收的能量較反應(yīng)①多，因此反應(yīng)②更難發(fā)生，反應(yīng)進(jìn)行程度最小；反應(yīng)③④的自由能均小于0，反應(yīng)④在反應(yīng)過程中放出的能量較反應(yīng)③多，因此反應(yīng)④更易發(fā)生，反應(yīng)進(jìn)行程度最大；

（2）①該過程中發(fā)生反應(yīng)：CO2+4H2CH4+2H2O、2H2O2H2+O2，由反應(yīng)方程式可知，需要不斷補(bǔ)充H2；

②由表格數(shù)據(jù)可知，Co4N/Al2O3作催化劑時(shí)，CO2轉(zhuǎn)化率較高，因此Co4N/Al2O3催化性能更好；

③由表格數(shù)據(jù)可知，在相同溫度下，隨著氣體流速增加，CO2的轉(zhuǎn)化率逐漸減小；其可能的原因是：氣流速度過快時(shí)，通入的氣體不能及時(shí)發(fā)生反應(yīng)，使得反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率較低；

④氣體流速為10mL/min時(shí)，當(dāng)溫度為340℃時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率為98%，溫度為360℃時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率為98%，該反應(yīng)溫度升高的過程中，CO2的轉(zhuǎn)化率逐漸增加，但340℃～360℃過程中，溫度在發(fā)生變化，而這兩個(gè)時(shí)刻CO2的轉(zhuǎn)化率相同，說明在溫度為340℃～360℃過程中一定存在CO2的轉(zhuǎn)化率最大值，在達(dá)到轉(zhuǎn)化率最大值后，升高溫度，平衡逆向移動(dòng)，因此最可能達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的溫度是360℃；

設(shè)n(H2)=4mol，則n(CO2)=1mol，在360℃下達(dá)到平衡時(shí)，CO2的轉(zhuǎn)化率為98%，則

平衡常數(shù)為；

（3）在Co/C作為催化劑時(shí)，反應(yīng)后可以得到的產(chǎn)物中含有少量甲酸，甲酸屬于一元弱酸，能夠與Co發(fā)生反應(yīng)，使催化劑的活性降低。