Question

【题目】2019年国际非政府组织“全球碳计划”12月4日发布报告：研究显示，全球二氧化碳排放量增速趋缓。CO2的综合利用是解决温室问题的有效途径。

(1)一种途径是将CO2转化成有机物实现碳循环。如：

C2H4(g)+H2O(l)=C2H5OH(l) ΔH1=-44.2kJ·mol-1

2CO2(g)+2H2O(l)=C2H4(g)+3O2(g) ΔH2=+1411.0kJ·mol-1

2CO2(g)+3H2O(l)=C2H5OH(l)+3O2(g) ΔH3=___。

(2)CO2甲烷化反应是由法国化学家Sabatier提出的，因此，该反应又叫Sabatier反应。CO2催化氢化制甲烷的研究过程如图：

上述过程中，产生H2反应的化学方程式为__。

②HCOOH是CO2转化为CH4的中间体：CO2HCOOHCH4。当镍粉用量增加10倍后，甲酸的产量迅速减少，当增加镍粉用量时，CO2镍催化氢化制甲烷的两步反应中反应速率增加较大的一步是__（填“I”或“Ⅱ”）。

(3)CO2经催化加氢可以生成低碳烃，主要有两个竞争反应：

反应I：CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)

反应Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)C2H4(g)+4H2O(g)

在1L恒容密闭容器中充入1molCO2和4molH2，测得平衡时有关物质的物质的量随温度变化如图所示。520℃时，CO2的转化率为__，520℃时，反应I的平衡常数K=__。

(4)已知CO2催化加氢合成乙醇的反应原理为2CO2(g)+6H2(g)C2H5OH(g)+3H2O(g) ΔH。m代表起始时的投料比，即m=。图1中投料比相同，温度T3＞T2＞T1，则ΔH___（填“>”或“<”）0。

②m=3时，该反应达到平衡状态后p(总)=20Mpa，恒压条件下各物质的物质的量分数与温度的关系如图2。则曲线b代表的物质为___（填化学式），T4温度时，反应达到平衡时物质d的分压p(d)=___。

Answer 1

【答案】+1366.8kJ·mol-1 3Fe+4H2OFe3O4+4H2 Ⅱ 60% 0.005 < CO2 2.5MPa

【解析】

(1)C2H4(g)+H2O(l)=C2H5OH(l) ΔH1=-44.2kJ·mol-1

2CO2(g)+2H2O(l)=C2H4(g)+3O2(g) ΔH2=+1411.0kJ·mol-1

利用盖斯定律，将两个热化学方程式直接相加，便可得出2CO2(g)+3H2O(l)=C2H5OH(l)+3O2(g)的ΔH3。

(2)转化过程中，发生Fe+H2O(g)的反应，CO2与H2的反应，写出反应方程式，便可确定产生H2反应的化学方程式。

②由前面信息中确定，增加镍粉用量时，导致甲酸产量迅速减少，则表明第二步反应迅速进行。

(3)从图中采集信息，进行计算，从而求出520℃时，CO2的转化率和反应I的平衡常数K。

(4)从图中可看出，降低温度，H2的转化率增大，从而表明降温平衡正向移动，由此可求出ΔH与0的关系。

②温度升高，平衡逆向移动，则反应物的物质的量分数增大，再由起始量关系，确定曲线b代表的物质，T4温度时，利用三段式及图中采集的信息，求出反应达到平衡时物质d的分压p(d)。

(1)C2H4(g)+H2O(l)=C2H5OH(l) ΔH1=-44.2kJ·mol-1

2CO2(g)+2H2O(l)=C2H4(g)+3O2(g) ΔH2=+1411.0kJ·mol-1

利用盖斯定律，将两个热化学方程式直接相加，便可得出2CO2(g)+3H2O(l)=C2H5OH(l)+3O2(g)的ΔH3=+1366.8kJ·mol-1。答案为：+1366.8kJ·mol-1；

(2)转化过程中，发生反应：3Fe+4H2OFe3O4+4H2、CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)、CO2(g)+H2(g)HCOOH(ag)，便可确定产生H2反应的化学方程式为3Fe+4H2OFe3O4+4H2。答案为：3Fe+4H2OFe3O4+4H2；

②由前面信息中确定，增加镍粉用量时，导致甲酸产量迅速减少，则表明第二步反应迅速进行，则反应速率增加较大的一步是Ⅱ。答案为：Ⅱ；

(3) 520℃时，反应Ⅰ中生成CH40.2mol，则消耗CO20.2mol；反应Ⅱ中生成C2H40.2mol，则消耗CO20.4mol，两反应共消耗CO20.6mol，从而得出CO2的转化率为=60%；反应Ⅰ中生成CH40.2mol，则同时生成H2O0.4mol，消耗CO20.2mol、H20.8mol；反应Ⅱ中生成C2H40.2mol，则消耗CO20.4mol、H21.2mol。两反应共消耗CO20.6mol、H22mol，剩余CO20.4mol、H22mol，反应I的平衡常数K==0.005。答案为：60%；0.005；

(4)从图中可看出，降低温度，H2的转化率增大，从而表明降温平衡正向移动，由此可求出ΔH<0。答案为：<；

②温度升高，平衡逆向移动，则反应物的物质的量分数增大，再由起始量关系，确定曲线a代表H2、b代表CO2，c代表H2O(g)、d代表C2H5OH。T4温度时，m=3，令n(CO2)=2mol，则n(H2)=6mol，设CO2的物质的量为2x，建立如下三段式：

依题意得：2-2x=x，x=，平衡时乙醇的分压为=2.5MPa。答案为：CO2；2.5MPa。