题目内容
【题目】航天员呼吸产生的CO2用下列反应处理,可实现空间站中O2的循环利用。
Sabatier反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)
水电解反应:2H2O(l)2H2(g)+O2(g)
(1)将原料气按∶=1∶4置于密闭容器中发生Sabatier反应,测得H2O(g)的物质的量分数与温度的关系如图所示(虚线表示平衡曲线)。
① 该反应的平衡常数K随温度升高而__________(填“增大”或“减小”)。
② 温度过高或过低均不利于该反应的进行,原因是________。
③ 200℃达到平衡时体系的总压强为p,该反应平衡常数Kp的计算式为________。(不必化简。用平衡分压代替平衡浓度计算,分压=总压×物质的量分数)
(2)Sabatier反应在空间站运行时,下列措施能提高CO2转化效率的是______(填标号)。
A.适当减压
B.增大催化剂的比表面积
C.反应器前段加热,后段冷却
D.提高原料气中CO2所占比例
E.合理控制反应器中气体的流速
(3)一种新的循环利用方案是用Bosch反应CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)代替Sabatier反应。
① 已知CO2(g)、H2O(g)的生成焓分别为–394 kJmol-1、–242 kJmol-1,Bosch反应的ΔH =________kJmol-1。(生成焓指一定条件下由对应单质生成1mol化合物时的反应热)
② 一定条件下Bosch反应必须在高温下才能启动,原因是________。
③ 新方案的优点是________。
【答案】 减小 温度过低,反应速率减小 温度过高,反应向右进行的程度小 BCE -90 反应的活化能高;氢原子利用率为100%。
【解析】(1)①根据H2O(g)的物质的量分数与温度的关系图可得:温度越高,H2O(g)的物质的量分数越低,故随升高温度该反应的平衡常数K减小。②温度过低,反应速率很小;温度过高,反应向右进行的程度小,故温度过高或过低均不利于该反应的进行。③200℃时平衡体系中H2O(g)的物质的量分数为0.6,根据反应化学方程式CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g),所以CH4的物质的量分数为0.3,因此CO2和H2的物质的量分数共为0.1,又因为原料气按∶=1∶4置于密闭容器中发生Sabatier反应,所以CO2的物质的量分数为0.02,H2的物质的量分数为0.08;达到平衡时体系的总压强为p,则四种物质的分压分别为:p(CO2)=0.02p、p(H2)=0.08p、p(CH4)=0.3p、p(H2O)=0.6p,所以该反应平衡常数Kp为: =。
(2)首先明确:转化效率不等于转化率。A项,适当减压化学反应速率降低、降低平衡转化率,故A错误;B项,增大催化剂的比表面积,提高了化学反应速率,能提高CO2转化效率,故B正确;C项,反应器前段加热,加快反应速率,后段冷却,提高平衡转化率,故C正确;D项,提高原料气中CO2所占比例,降低CO2的转化率,故D错误;E项,合理控制反应器中气体的流速,可使反应物充分反应,提高了CO2转化效率,故E正确。综上,选BCE。
(3)①由已知可得:C(s)+O2(g)=CO2(g) ΔH =–394 kJmol-1,2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH =–484 kJmol-1,所以Bosch反应CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)的ΔH=[–484-(-394)] kJmol-1=-90kJmol-1。②Bosch反应为放热反应,一定条件下必须在高温下才能启动,说明高温条件才能引发此反应开始,故该反应的活化能很高。③新方案与原方案相比氢原子利用率为100%。