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(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

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+4H2CH4+2H2O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1.5MPa，气体流速为20mL·min-1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：

催化剂	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，研究其对某催化剂催化效率的影响，得到CO2的转化率(%)如下：

气体流速/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__，在1L恒容密闭容器中发生该反应，已知初始反应气体中V(H2)：V(CO2)=4：1，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 气体流速加快，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）自由能越小，反应越容易发生，反应的焓变不随温度变化而发生变化，反应的自由能与温度有关，上述反应的自由能所处温度相同，反应①②的自由能均大于0，且二者自由能相等，反应②在反应过程中吸收的能量较反应①多，因此反应②更难发生，反应进行程度最小；反应③④的自由能均小于0，反应④在反应过程中放出的能量较反应③多，因此反应④更易发生，反应进行程度最大；

（2）①该过程中发生反应：CO2+4H2CH4+2H2O、2H2O2H2+O2，由反应方程式可知，需要不断补充H2；

②由表格数据可知，Co4N/Al2O3作催化剂时，CO2转化率较高，因此Co4N/Al2O3催化性能更好；

③由表格数据可知，在相同温度下，随着气体流速增加，CO2的转化率逐渐减小；其可能的原因是：气流速度过快时，通入的气体不能及时发生反应，使得反应物的转化率较低；

④气体流速为10mL/min时，当温度为340℃时，CO2的转化率为98%，温度为360℃时，CO2的转化率为98%，该反应温度升高的过程中，CO2的转化率逐渐增加，但340℃～360℃过程中，温度在发生变化，而这两个时刻CO2的转化率相同，说明在温度为340℃～360℃过程中一定存在CO2的转化率最大值，在达到转化率最大值后，升高温度，平衡逆向移动，因此最可能达到化学平衡状态的温度是360℃；

设n(H2)=4mol，则n(CO2)=1mol，在360℃下达到平衡时，CO2的转化率为98%，则

平衡常数为；

（3）在Co/C作为催化剂时，反应后可以得到的产物中含有少量甲酸，甲酸属于一元弱酸，能够与Co发生反应，使催化剂的活性降低。