Question

2．二氧化碳的捕集、利用与封存（CCUS）是我国能源领域的一个重要战略方向，CCUS或许发展成一项重要的新兴产业．

（1）已知：CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1
反应CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g） 的△H=（a+2b-2c）kJ•mol^-1．
（2）利用废气中的CO₂为原料制取甲醇，反应方程式为：CO₂+3H₂═CH₃OH+H₂O其他条件相同，该甲醇合成反应在不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下反应相同时间后，CO₂的转化率随反应温度的变化如图1所示．
①a点所代表的状态不是（填“是”或“不是”）平衡状态．
②c点CO₂的转化率高于b点，原因是b、c点均未达到平衡状态，c点温度高，反应速率较快，故CO₂的转化率较大．
（3）在实际生产中发现，随着甲醇的生成，还伴随有少量CO副产物出现：CO₂+H₂?CO+H₂O△H＞0，且CO₂的转化率、甲醇的产率和CO含量除受浓度、度、压强等因素影响外，还受催化剂CuO的质量分数、气体混合物在反应锅炉内的流动速率影响（用空间流率表示）．通过实验分别得到如下数据图2、①由图2得，最佳空间流率为3600h^-1；
②在其他条件不变的前提下调整催化剂配比，并记录到达平衡所需的时间，得到如下表数据，

催化剂组分质量分数（%）	CuO	0	25	50	75	100
	ZnO	100	75	50	25	0
到达平衡所需时间（h）		2.5	7.4	8.1	12	无催化活性

试说明不选择单组份ZnO原因是使用单组分ZnO时反应速率虽然快，但是由图3可知，二氧化碳转化率、甲醇的产率都过低，实际生产中没有意义，故不采用．
（4）用二氧化碳催化加氢来合成低碳烯烃，起始时以0.1MPa，n（H₂）：n（CO₂）=3：1的投料比充入反应器中，发生反应：2CO₂（g）+6H₂（g） $\stackrel{催化剂}{?}$ C₂H₄（g）+4H₂O（g）△H，不同温度下平衡时的四种气态物质的物质的量如图4所示：
①该进行的反应的△S＜0（填：“＞”或“＜”）
②对于气体反应，用某组分（B）的平衡压强（p_B）代替物质的量浓度（c_B）也可以表示平衡常数（记作K_P），则该反应的K_P=$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）×{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）×{p}^{6}（{H}_{2}）}$．
③为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强；提高氢气和二氧化碳物质的量的比值（列举2项）．

Answer 1

分析 （1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1，
根据盖斯定律，①+②×2-2×③可得：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），反应的焓变也进行相应的计算；
（2）①催化剂只能改变反应速率，不能改变化学平衡，不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下达平衡时CO₂的转化率相同；
②b、c点均未达到平衡状态，升高温度，化学反应速率加快，CO₂的转化率较大；
（3）①根据二氧化碳转化率最大、甲醇产量最大，选择最佳空间流率，流动速率高会消耗能量；
②使用单组份ZnO时反应速率虽然最快，但是由图3可知，CO₂转化率、CH₃OH产率均过低；
③由图可知，在t₀时改变一个条件，使曲线Ⅰ变成曲线Ⅱ，反应速率加快，不影响平衡移动，不可能是升高温度，且改变条件浓度也不变，不可能是增大压强，可能是加入催化剂；
（4）①反应是气体物质的量减小的反应，混乱度减小；
②Kp等于各产物平衡分压系数次方的乘积和各个反应物平衡分压系数次方乘积的比值；
③为提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值等．

解答 解：（1）已知：①CH₄（g）+2O₂（g）═CO₂（g）+2H₂O（g）△H₁=a kJ•mol^-1
②CO（g）+H₂O （g）═CO₂（g）+H₂ （g）△H₂=b kJ•mol^-1
③2CO（g）+O₂（g）═2CO₂（g）△H₃=c kJ•mol^-1，
根据盖斯定律，①+②×2-2×③可得：CO₂（g）+CH₄（g）═2CO（g）+2H₂（g），则△H=（a+2b-2c）kJ•mol^-1，
故答案为：（a+2b-2c）；
（2）①催化剂只能改变反应速率，不能改变化学平衡，所以不同催化剂（Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ）作用下达平衡时CO₂的转化率相同，故a点所代表的状态不是平衡状态，
故答案为：不是；
②b、c点均未达到平衡状态，c点温度高，反应速率较快，故CO₂的转化率较大；
故答案为：b、c点均未达到平衡状态，c点温度高，反应速率较快，故CO₂的转化率较大；
（3）①由图可知，在3600h^-时，二氧化碳转化率最大，甲醇产量最大，流动速率高会消耗能量，故最佳流动速率为3600h^-，
故答案为：3600；
②使用单组份ZnO时反应速率虽然最快，但是由图3可知，CO₂转化率、CH₃OH产率均过低实际生产中没有意义，故不采用，
故答案为：使用单组分ZnO时反应速率虽然快，但是由图3可知，二氧化碳转化率、甲醇的产率都过低，实际生产中没有意义，故不采用；
③由图可知，在t₀时改变一个条件，使曲线Ⅰ变成曲线Ⅱ，反应速率加快，不影响平衡移动，不可能是升高温度，且改变条件浓度也不变，不可能是增大压强，可能是加入催化剂，
故答案为：加入催化剂；
（4）①反应是气体物质的量减小的反应，混乱度减小，则△S＜0，故答案为：＜；
②该反应的Kp等于各产物平衡分压系数次方的乘积和各个反应物平衡分压系数次方乘积的比值，即K_P=$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）×{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）×{p}^{6}（{H}_{2}）}$，
故答案为：$\frac{p（{C}_{2}{H}_{4}）×{p}^{4}（{H}_{2}O）}{{p}^{2}（C{O}_{2}）×{p}^{6}（{H}_{2}）}$；
③提高CO₂的平衡转化率，除改变温度外，还可采取的措施是增大压强或提高氢气和二氧化碳物质的量的比值，
故答案为：增大压强；提高氢气和二氧化碳物质的量的比值．

点评 本题考查化学平衡的影响、图象分析、反应热计算等，需要学生具备扎实的基础，侧重考查阅读获取信息能力、分析解决问题的能力，难度较大．