Question

【题目】现代工业的发展导致CO2的大量排放，对环境造成的影响日益严重，通过各国科技工作者的努力，已经开发出许多将CO2回收利用的技术，其中催化转化法最具应用价值。回答下列问题：

（1）在催化转化法回收利用CO2的过程中，可能涉及以下化学反应：

①CO2(g)+2H2O(1)CH3OH(1)+O2(g) △H=+727kJ·mol-1 △G=+703kJ·mol-1

②CO2(g)+2H2O(1)CH4(g)+2O2(g) △H=+890kJ·mol-1 △G=+818kJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)CH3OH(1)+H2O(1) △H=-131kJ·mol-1 △G=-9.35kJ·mol-1

④CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(1) △H=-253kJ·mol-1 △G=-130kJ·mol-1

从化学平衡的角度来看，上述化学反应中反应进行程度最小的是____，反应进行程度最大的是_____。

（2）反应CO2(g)+4H2(g)=CH4(g) +2H2O(g)称为Sabatier反应，可用于载人航空航天工业。我国化学工作者对该反应的催化剂及催化效率进行了深入的研究。

①在载人航天器中利用Sabatier反应实现回收CO2再生O2，其反应过程如图所示，这种方法再生O2的最大缺点是需要不断补充_________（填化学式）。

②在1.5 MPa，气体流速为20 mL·min-l时研究温度对催化剂催化性能的影响，得到CO2的转化率(%)如下：

分析上表数据可知：_____（填化学式）的催化性能更好。

③调整气体流速，研究其对某一催化剂催化效率的影响，得到CO2的转化率(%)如下：

分析上表数据可知：相同温度时，随着气体流速增加，CO2的转化率____（填“增大”或“减小”），其可能的原因是_________________________________。

④在上述实验条件中，Sabatier反应最可能达到化学平衡状态的温度是____，已知初始反应气体中V(H2):V(CO2) =4:l，估算该温度下的平衡常数为 ___________（列出计算表达式）。

（3）通过改变催化剂可以改变CO2与H2反应催化转化的产物，如利用Co／C作为催化剂，反应后可以得到含有少量甲酸的甲醇。为了研究催化剂的稳定性，将Co/C催化剂循环使用，相同条件下，随着循环使用次数的增加，甲醇的产量如图所示，试推测甲醇产量变化的原因_________________________________。（已知Co的性质与Fe相似）

Answer 1

【答案】② ④ H2 Co4N/Al2O3 减小 气流流速加快，导致反应物与催化剂接触时间不够 360℃ 反应产生的甲酸腐蚀催化剂，使催化剂活性降低

【解析】

（1）在温度、压强一定的条件下，反应总是向△G＜0的方向进行，由此判断。

（2）①分析反应过程图，CO2、O2、H2O属于循环过程中始终在循环过程中的，而H2属于循环过程中加入的，由此可知正确答案；

②分析表中数据，在相同温度下，对比不同催化剂时CO2的转化率可选择出催化性能更好的催化剂；

③分析表中数据，在温度不变的情况下，气流速度增大，CO2的转化率逐渐降低，据此分析原因；

④分析表中数据，大部分数据显示，在气流速度不变的情况下，CO2的转化率随着温度的增大而逐渐增大，但增大的幅度在逐渐减小，故在上述实验条件中，Sabatier反应最可能达到化学平衡状态的温度是360℃，根据此时CO2的转化率，计算该温度下的平衡常数；

（3）由图可知，随着Co/C催化剂循环次数的增多，甲醇的产量逐渐降低，说明该催化剂在循环过程中受到一定程度的影响，结合产物的性质进行分析；

（1）分析四个反应，根据在温度、压强一定的条件下，反应总是向△G＜0的方向进行，反应的△G越小反应进行程度越大，反之反应进行的程度就越小，故上述化学反应中反应进行程度最小的是②，反应进行程度最大的是④。答案为：②；④；

（2）①分析循环图，只有H2需不断补充，答案为：H2；

②对比表中的数据，在相同温度下，催化剂为Co4N/Al2O3时，CO2的转化率更大，答案为：Co4N/Al2O3；

③分析表中数据，温度不变时，随着气体流速的逐渐增大，CO2的转化率逐渐减小，可能是气体流速过快，来不及和催化剂充分接触，导致CO2的转化率减小。答案为：减小；气流流速加快，导致反应物与催化剂接触时间不够；

④分析表中数据，大部分数据表明，在320℃至360℃时，气体流速不变的情况下，CO2的转化率的增大幅度在逐渐减小，由此可知Sabatier反应最可能达到化学平衡状态的温度是360℃，结合题中所给信息，选择气体流速为10mL·min-1时CO2的转化率进行计算。

已知初始反应气体中V(H2):V(CO2) =4:l，根据在密闭容器里，全部由气体参与的反应中，压强、温度不变时，气体的体积比等于物质的量之比，可知V(H2):V(CO2) = n(H2):n(CO2)=4:l，设初始气体中H2的物质的量为4mol，CO2的物质的量为1mol，则有：

在密闭容器中，全部由气体参与的反应中，平衡时气体的物质的量之比=气体物质的量浓度之比，可知该温度下，该反应的平衡常数K=。答案为：360℃；；

（3）根据题中催化剂循环次数和甲醇产量的关系：催化剂的循环次数越多，甲醇的产量逐渐降低，说明催化剂一定程度受到了其他物质的影响，结合题给信息：用Co／C作为催化剂，反应后可以得到含有少量甲酸的甲醇。又已知Co的性质与Fe相似，说明甲酸可与催化剂中的Co进行反应，故催化剂的活性降低，进而影响甲醇的产量，答案为：反应产生的甲酸腐蚀催化剂，使催化剂活性降低。