Question

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K_p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 kJ∙mol^－1、–242 kJ∙mol^－1，Bosch反应的ΔH ＝________kJ∙mol^－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________。

Answer

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 kJ∙mol-1，2H2(g)+O2(g)=2H2O(g) ΔH ＝–484 kJ∙mol-1，所以Bosch反应CO2(g)+2H2(g)C(s)+2H2O(g)的ΔH＝[–484-（-394）] kJ∙mol-1=-90kJ∙mol-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%。