Question

【題目】全球碳計(jì)劃組織（GCP，The Global Carbon Project）報(bào)告稱，2018年全球碳排放量約371億噸，達(dá)到歷史新高。

（1）中科院設(shè)計(jì)了一種新型的多功能復(fù)合催化劑，實(shí)現(xiàn)了CO2直接加氫制取高辛烷值汽油，其過(guò)程如圖1所示。

①已知：CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) △H= + 41 kJ·mol-1

2CO2(g)+6H2(g)=4H2O(g)+CH2=CH2(g) △H= -128 kJ·mol-1

則上述過(guò)程中CO和H2轉(zhuǎn)化為CH2=CH2的熱化學(xué)方程式是_________。

②下列有關(guān)CO2轉(zhuǎn)化為汽油的說(shuō)法，正確的是___________________（填標(biāo)號(hào)）。

A. 該過(guò)程中，CO2轉(zhuǎn)化為汽油的轉(zhuǎn)化率高達(dá)78%

B. 中間產(chǎn)物Fe5C2的生成是實(shí)現(xiàn)CO2轉(zhuǎn)化為汽油的關(guān)鍵

C. 在Na-Fe3O4上發(fā)生的反應(yīng)為CO2+H2=CO+H2O

D. 催化劑HZSM-5可以提高汽油中芳香烴的平衡產(chǎn)率

③若在一容器中充入一定量的CO2和H2，加入催化劑恰好完全反應(yīng)，且產(chǎn)物只生成C5以上的烷烴類物質(zhì)和水。則起始時(shí)CO2和H2的物質(zhì)的量之比不低于_________。

（2）研究表明，CO2和H2在一定條件下可以合成甲醇。反應(yīng)方程式為CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H<0。一定條件下，往2L恒容密閉容器中充入1.0molCO2和3.0molH2，在不同催化劑作用下合成甲醇，相同時(shí)間內(nèi)CO2的轉(zhuǎn)化率隨溫度變化關(guān)系如圖2所示。

①該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行的條件是__________（填“高溫”“低溫”或“任意溫度”）

②催化效果最佳的催化劑是__________（填“A”“B”或“C”）；b點(diǎn)時(shí)，________（填“＞”“＜”或“＝”）。

③若容器容積保持不變，則不能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是________。

a.c(CO2)與c(H2)的比值保持不變

b.v(CO2)正＝v(H2O)逆

c.體系的壓強(qiáng)不再發(fā)生變化

d.混合氣體的密度不變

e.有lmolCO2生成的同時(shí)有斷開3mol的H-H鍵

f.氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量不變

④已知容器內(nèi)的起始?jí)簭?qiáng)為100 kPa，若圖2中c點(diǎn)已達(dá)到平衡狀態(tài)，則該溫度下反應(yīng)的平衡常數(shù)Kp =____________________（只列出計(jì)算式，不要求化簡(jiǎn)，Kp為以分壓表示的平衡常數(shù)，分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)）。

Answer 1

【答案】2CO(g)+4H2(g)=CH2=CH2(g)+2H2O(g) H=-210kJmol-1 B 6:19 低溫 A > ad

【解析】

根據(jù)已知熱化學(xué)方程式運(yùn)用蓋斯定律書寫新的熱化學(xué)方程式；根據(jù)圖示反應(yīng)歷程分析反應(yīng)的中間產(chǎn)物，判斷催化劑對(duì)反應(yīng)的影響；根據(jù)烷烴的通式及題干信息進(jìn)行相關(guān)計(jì)算；根據(jù)熵變和焓變判斷反應(yīng)是否自發(fā)進(jìn)行；根據(jù)平衡狀態(tài)的特征分析反應(yīng)是否達(dá)到平衡狀態(tài)；根據(jù)各物質(zhì)的分壓計(jì)算平衡常數(shù)。

（1）①已知：I CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) △H= + 41 kJ·mol-1，II 2CO2(g)+6H2(g)=4H2O(g)+CH2=CH2(g) △H= -128 kJ·mol-1，根據(jù)蓋斯定律 II-I×2 得：2CO(g)+4H2(g)=CH2=CH2(g)+2H2O(g) △H=-128 kJ·mol-1-（+ 41 kJ·mol-1）×2=-210kJmol-1，故熱化學(xué)方程式為：2CO(g)+4H2(g)=CH2=CH2(g)+2H2O(g) H=-210kJmol-1；

②A. 由圖示分析78%并不是表示CO2轉(zhuǎn)化為汽油的轉(zhuǎn)化率，故A錯(cuò)誤；

B. 中間產(chǎn)物Fe5C2是無(wú)機(jī)物轉(zhuǎn)化為有機(jī)物的中間產(chǎn)物，是轉(zhuǎn)化的關(guān)鍵，故B正確；

C. 根據(jù)圖1所示，在Na-Fe3O4上發(fā)生的反應(yīng)應(yīng)為CO2生成CO的反應(yīng)，氫氣未參加反應(yīng)，故C錯(cuò)誤；

D. 催化劑HZSM-5的作用是加快反應(yīng)速率，對(duì)平衡產(chǎn)率沒有影響，故D錯(cuò)誤；

故答案為：B；

③烷烴的通式為CnH(2n+2)，假設(shè)只生成C6H14和水，則根據(jù)原子守恒知：6molCO2恰好完全反應(yīng)生成1molC6H14和12molH2O需要的H2的物質(zhì)的量為：，所以CO2和H2的物質(zhì)的量之比不低于6mol:19mol=6:9，故答案為：6:9；

（2）①該反應(yīng)為放熱反應(yīng)，△H<0，根據(jù)方程式知：△S<0，根據(jù)ΔG=ΔH－TΔS，若ΔG<0則T較小，即低溫時(shí)該反應(yīng)自發(fā)進(jìn)行，故答案為：低溫；

②如圖所示相同時(shí)間內(nèi)催化劑A的轉(zhuǎn)化率較高，說(shuō)明反應(yīng)較快催化效果好；b點(diǎn)時(shí)，還未達(dá)到平衡，則說(shuō)明＞，故答案為：A；＞；

③a.c(CO2)與c(H2)初始時(shí)比值為1：3，所以按照化學(xué)計(jì)量數(shù)1:3反應(yīng)后，比值始終保持不變，不能說(shuō)明該反應(yīng)達(dá)到平衡，故a選；

b.根據(jù)化學(xué)計(jì)量數(shù)之比知：v(CO2)正=v(H2O)正=v(H2O)逆，正逆反應(yīng)速率相等，則說(shuō)明已經(jīng)達(dá)到平衡，故b不選；

c.該反應(yīng)為氣體減小的反應(yīng)，所以當(dāng)體系的壓強(qiáng)不再發(fā)生變化，說(shuō)明反應(yīng)物和生成物濃度保持不變，能說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故c不選；

d.根據(jù)質(zhì)量守恒原理知，反應(yīng)前后總質(zhì)量始終不變，且容器體積不變，則混合氣體的密度始終不變，所以氣體密度不變不能說(shuō)明達(dá)到平衡，故d選；

e.斷開3mol的H-H鍵時(shí)說(shuō)明有3mol氫氣消耗，則應(yīng)該消耗1molCO2，則CO2的濃度保持不變，能說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故e不選；

f.反應(yīng)前后氣體的物質(zhì)的量減小，質(zhì)量保持不變，則氣體的平均相對(duì)分子質(zhì)量應(yīng)增大，若不變，說(shuō)明達(dá)到平衡狀態(tài)，故f不選；

故答案為：ad；

④c點(diǎn)時(shí)CO2的轉(zhuǎn)率為80%，則反應(yīng)掉1mol×80%=0.8mol，

起始狀態(tài)容器中氣體總物質(zhì)的量為1mol+3mol=4mol，平衡時(shí)容器中氣體總物質(zhì)的量為0.2mol+0.6mol+0.8mol+0.8mol=2.4mol，容器體積不變，起始?jí)簭?qiáng)為100 kPa，則平衡時(shí)總壓強(qiáng)為：100kPa×=60kPa，根據(jù)分壓=總壓×物質(zhì)的量分?jǐn)?shù)計(jì)算得：，故答案為：。