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根据图知，当反应达到平衡状态后，升高温度，水的物质的量分数减小，说明平衡逆向移动；

②温度过低，化学反应速率小；温度过高，平衡逆向移动；

③设开始时n（CO2）为1mol、n（H2）=4mol，设参加反应的n（CO2）为xmol，结合方程式，利用三段式。根据水蒸气的物质的量分数列方程计算出x；反应达到平衡时体系的总压强为p，然后计算出四种物质的分压分别为：p(CO2) 、p(H2)、p(CH4)、p(H2O)，最后计算出该反应平衡常数Kp： ；

（2）改变条件能使平衡正向移动但不能是通过增大二氧化碳浓度实现的都能提高二氧化碳转化率；

（3）①Bosch反应的△H等于水的生成焓的二倍减去二氧化碳的生成焓；

②该反应所需的活化能较高；

③该反应中氢元素完全转化为水。

（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：该反应中氢元素完全转化为水，氢原子利用率为100%。