Question

【题目】CO2的资源化利用一直是化学家们关注的重要课题，中科院大连化学物理研究所设计了一种新型多功能复合催化剂，成功地实现了CO2直接加氢制取高辛烷值汽油：5CO2(g)+16H2(g)=C5H12(l)+10H2O(l) ΔH=+a kJ/mol (反应①)，该研究成果被评价为“CO2催化转化领域的突破性进展”。

(1)已知氢气的燃烧热为286 kJ/mol，若要利用H2的燃烧热求a的值，则还需要知道一个反应的ΔH，该反应是___________。反应①在一定条件下具有自发性，则a_____0(填“>”或“<”)。

(2)向某密闭容器中按一定投料比充入 CO2、H2，控制条件使其发生反应：5CO2(g)+16H2(g)C5H12(1)+10H2O(1) ΔH。 测得H2的平衡转化率与温度、压强之间的关系如图所示：

则X表示____________，Y1____________Y2(填“>”或“<”)。欲提高H2的平衡转化率并提高单位时间内C5H12(l)的产量，可采取的措施是_________(填两种)。

(3)控制一定温度、催化剂，按不同投料比[]将反应物通入到某密闭容器中，测得平衡时C5H12的百分含量与投料比之间的关系如图所示，则n0=_____________。

(4)在钌一铑双金属催化剂的作用下，CH3OH、CO2、H2可高效地转化为乙酸，反应方程式为CH3OH(g)+CO2(g)+H2(g)CH3COOH(g)+H2O(g) ΔH<0。一定温度下，向某刚性容器中通入等物质的量的三种原料气，测得体系中的总压强与时间的关系如表所示：

t/min	0	5	10	15	20	25	30
p/kPa	3	2.7	2.5	2.35	2.26	2.2	2.2

则反应开始到达平衡的过程中，v(CO2)=________kPa/min，Kp=_______span>kPa-1。

(5)碳捕捉技术的发展也有利于CO2在资源应用方面得到充分利用。常温下，若某次用NaOH溶液捕捉空气中的CO2所得溶液的pH=10，并测得溶液中c(HCO3-)=2c(CO32-)，则Ka2(H2CO3)=_______mol/L。

Answer 1

【答案】C5H12(l)+8O2(g)=5CO2(g)+6H2O(l) < 压强 < 增大压强、增大c(CO2) 3.2 0.032 80 5×10-11

【解析】

(1)先写出氢气燃烧热的热化学方程式，然后结合盖斯定律分析缺少的内容，利用反应自发性进行的判断依据分析a的大小；

(2)由于该反应是一个气体分子数目减小放热的反应，根据变化曲线判断X、Y表示的含义，然后利用温度升高，平衡逆向移动，H2的转化率降低比较Y1、Y2的大小；根据平衡移动原理分析能提高H2的平衡转化率和提高反应速率，增大单位时间内C5H12(l)的产量的条件；

(3)由方程式及极端假设法，结合平衡移动原理分析平衡时体系中C5H12(l)的百分含量最高时氢气与CO2的物质的量的比；

(4)利用压强比等于气体的物质的量的比，结合物质反应转化关系计算；先计算平衡时各种气体的分压，带入平衡常数表达式可得Kp的值；

(5)利用盐的水解规律结合溶液的pH及溶液中离子浓度关系计算。

(1)已知氢气的燃烧热为286 kJ/mol，可得其热化学方程式：②：H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-286 kJ/mol，根据盖斯定律，16×②-①，整理可得：C5H12(l)+8O2(g)=5CO2(g)+6H2O(l)，所以要知道C5H12(l)+8O2(g)=5CO2(g)+6H2O(l)的反应热，由于该反应是气体体积减小的反应，△S<0，反应①在一定条件下具有自发性，△G=△H-T△S<0，所以△H<0，即a<0；

(2)该反应的正反应是一个气体体积减小的放热反应。在其他条件不变时，增大压强，平衡正向移动，H2的转化率会提高；而升高温度，平衡逆向移动，H2转化率降低，故根据曲线变化趋势可知X表示压强，Y表示温度。压强一定时，温度越高，H2的平衡转化率越小，因此温度Y1 <Y2。增大压强、增大CO2浓度均有利于平衡向右移动，在提高H2的平衡转化率的同时也能提高反应速率，增大单位时间内C5H12(l)的产量；

(3)根据反应方程式5CO2(g)+16H2(g)C5H12(1)+10H2O(1)可知，当按方程式计量数的比16：5=3.2投料时，两种反应物的转化率相同，在此条件下反应达到平衡状态，得到C5H12(1)的平衡含量，若在反应达到平衡时增大其中任何一种反应物的浓度，平衡正向移动，但平衡移动的趋势是微弱的，最终使反应物总物质的量增大的倍数大于平衡移动使C5H12(l)增大的倍数，故C5H12(l)的含量反而降低，故要使平衡时C5H12(l)的含量最大，=3.2；

(4)在开始反应时向某刚性容器中通入等物质的量的三种原料气，此时容器内气体压强为3 kPa，假设开始时n(CO2)=1 mol，开始时气体的总物质的量是3 mol，平衡时消耗了x mol CO2，因同温同体积时，压强比等于其物质的量之比，故平衡时总物质的量为2.2 mol，气体的物质的量减少了△n=3 mol-2.2 mol=0.8 mol。根据发生反应：CH3OH(g)+CO2(g)+H2(g)CH3COOH(g)+H2O(g) 可知：每有1 molCO2发生反应，反应后气体的物质的量减小1 mol，现在气体的物质的量减少了0.8 mol，所以反应的CO2物质的量为0.8 mol，反应开始时压强为p(CO2)=1 kPa，则平衡时p(CO2)=2.2 kPa×=0.2 kPa，则反应开始到达平衡的过程中，v(CO2)==0.032 kPa/min；根据反应中物质的转化关系可知平衡时，p(CH3OH)=p(H2)=p(CO2)=0.2 kPa，p(CH3COOH)=p(H2O)=0.8 kPa，所以在此条件下的化学平衡常数Kp==80 /kPa；

(5)根据CO32-+H2OHCO3-+OH-，Kh=，溶液的pH=10，则c(OH-)=10-4 mol/L，由于溶液中c(HCO3-)=2c(CO32-)，，所以Ka2(H2CO3)= mol/L =5×10-11 mol/L。