解答题-原理综合题 较难0.4 引用1 组卷460
二氧化碳催化加氢制甲醇,有利于减少温室气体二氧化碳。回答下列问题:
(1)二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为
I.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)△H1
该反应一般认为通过如下步骤来实现:
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2=+41.4kJ/mol
Ⅲ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)△H3=-90.5kJ/mol
则△H1=__________ 。
(2)科学家研究发现,上述反应历程包含7步基元反应,在铜催化剂表面发生反应时,各基元反应在不同铜原子晶面Cu(100)、Cu(110)、Cu(111)反应的能量变化如下表所示。(*指微粒吸附在催化剂表面。)
根据上表数据,在Cu(111)晶面的反应历程中,决定反应速率的基元反应是__________ ,该制甲醇的反应历程更容易在__________ 晶面发生。
(3)在p=4.00MPa、原料气n(H2):n(CO2)=3.4、铜催化剂的反应条件下,温度对CO2转化率、甲醇产率、甲醇选择性的影响如下图所示。
①CO2的转化率随温度升高而增大的原因可能是__________ ;
②CH3OH的选择性随温度升高而减小的原因可能是__________ ;
③计算240℃时反应Ⅱ的压强平衡常数__________ (列出计算式即可)。
(4)除调控合适的温度外,使CH3OH的选择性增大的方法有__________ 。
(1)二氧化碳加氢制甲醇的总反应可表示为
I.CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g)△H1
该反应一般认为通过如下步骤来实现:
Ⅱ.CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H2=+41.4kJ/mol
Ⅲ.CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)△H3=-90.5kJ/mol
则△H1=
(2)科学家研究发现,上述反应历程包含7步基元反应,在铜催化剂表面发生反应时,各基元反应在不同铜原子晶面Cu(100)、Cu(110)、Cu(111)反应的能量变化如下表所示。(*指微粒吸附在催化剂表面。)
基元反应 | △H/eV | ||
Cu(100) | Cu(110) | Cu(111) | |
CO2+H*COOH* | 0.52 | 0.34 | 0.79 |
COOH*CO*+OH* | -0.26 | -0.33 | -0.11 |
OH*+H*H2O | -0.10 | 0.10 | -0.34 |
CO*+H*HCO* | 0.55 | 0.50 | 0.66 |
HCO*+H*CH2O | -0.53 | -0.27 | -0.69 |
CH2O+H*CH3O* | -1.02 | -1.10 | -0.78 |
CH3O*+H*CH3OH | -0.24 | -0.10 | -0.41 |
(3)在p=4.00MPa、原料气n(H2):n(CO2)=3.4、铜催化剂的反应条件下,温度对CO2转化率、甲醇产率、甲醇选择性的影响如下图所示。
①CO2的转化率随温度升高而增大的原因可能是
②CH3OH的选择性随温度升高而减小的原因可能是
③计算240℃时反应Ⅱ的压强平衡常数
(4)除调控合适的温度外,使CH3OH的选择性增大的方法有
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CO2加氢可转化为高附加值的CO、CH3OH、CH4等C1产物。CO2加氢过程,主要发生的三个竞争反应为:
反应Ⅰ: CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H= -49 kJ ·mol-1
反应Ⅱ: CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) △H=-165.0 kJ ·mol-l
反应Ⅲ: CO2(g)+ H2(g) CO(g)+ H2O(g) △H=+41.18 kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)①由CO、H2合成甲醇的热化学方程式为_______ 。
②某催化剂催化CO2加氢制甲醇的反应历程如下图所示,其中吸附在催化剂表面的物种用*表示,Ea表示活化能,单位为eV。CH3O*转化为甲醇的化学方程式为_______ 。
③在某催化剂作用下,CO2和H2除发生反应Ⅰ外,还发生反应Ⅲ。维持压强不变,按固定初始投料比将CO2和H2按一定流速通过该催化剂,经过相同时间测得实验数据:
注:甲醇的选择性是指发生反应的CO2中转化为甲醇的百分比。
表中数据说明,升高温度,CO2的实际转化率提高而甲醇的选择性降低,其原因是_______ 。
(2)科学家研究了不同反应温度对含碳产物组成的影响。在反应器中按n(H2):n(CO2)=3:1通入H2和CO2,分别在0.1MPa和1MPa下进行反应。试验中温度对平衡组成C1 (CO2、CO、CH4)中的CO和CH4的影响如图所示(该反应条件下甲醇产量极低,因此忽略“反应Ⅰ”)。
①1MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是_______ 、_______ 。M点平衡组成含量高于N点的原因是 _______ 。
②当CH4和CO平衡组成为均40%时,该温度下反应Ⅲ的平衡常数Kp为_______ (用平衡分压代替平衡浓度计算,平衡分压=总压× 物质的量分数)。
反应Ⅰ: CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H= -49 kJ ·mol-1
反应Ⅱ: CO2(g)+4H2(g) CH4(g)+2H2O(g) △H=-165.0 kJ ·mol-l
反应Ⅲ: CO2(g)+ H2(g) CO(g)+ H2O(g) △H=+41.18 kJ·mol-1
回答下列问题:
(1)①由CO、H2合成甲醇的热化学方程式为
②某催化剂催化CO2加氢制甲醇的反应历程如下图所示,其中吸附在催化剂表面的物种用*表示,Ea表示活化能,单位为eV。CH3O*转化为甲醇的化学方程式为
③在某催化剂作用下,CO2和H2除发生反应Ⅰ外,还发生反应Ⅲ。维持压强不变,按固定初始投料比将CO2和H2按一定流速通过该催化剂,经过相同时间测得实验数据:
T(K) | CO2实际转化率(%) | 甲醇选择性(%) |
543 | 12.3 | 42.3 |
553 | 15.3 | 39.1 |
注:甲醇的选择性是指发生反应的CO2中转化为甲醇的百分比。
表中数据说明,升高温度,CO2的实际转化率提高而甲醇的选择性降低,其原因是
(2)科学家研究了不同反应温度对含碳产物组成的影响。在反应器中按n(H2):n(CO2)=3:1通入H2和CO2,分别在0.1MPa和1MPa下进行反应。试验中温度对平衡组成C1 (CO2、CO、CH4)中的CO和CH4的影响如图所示(该反应条件下甲醇产量极低,因此忽略“反应Ⅰ”)。
①1MPa时,表示CH4和CO平衡组成随温度变化关系的曲线分别是
②当CH4和CO平衡组成为均40%时,该温度下反应Ⅲ的平衡常数Kp为
利用CO2加氢合成甲醇是实现碳中和的重要途径之一、
I.CO2加氢合成CH3OH的反应体系中主要包含以下反应:
反应①CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) H1
反应②CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g) H2=+41.2kJ/mol
(1)已知:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g) H3=-90.8kJ/mol。反应①的H1=_______ 。
(2)在Cu基催化下,CO2加氢合成CH3OH的反应历程如下图所示,其中吸附在Cu基催化剂表面上的物种用“*”标注。有化学键的断裂或形成的过程均认为发生了基元反应,该历程中共有_______ 个基元反应,反应速率最慢的步骤的化学方程式为_______ 。
II.当原料组成为n(CO2):n(H2)=1:3时,上述反应体系在一定条件下建立平衡后,含碳产物中CH3OH的物质的量分数(Y)及CO2的转化率(Q)与反应温度的关系曲线如下图所示。
(3)下列表述正确的是_______(填标号)。
(4)Q点时,只发生反应①,此时p(H2)=_______ MPa,反应①的平衡常数Kp=_______ (列出计算式,Kp以分压表示,分压=总压×物质的量分数)。
(5)在5MPa、300~400℃范围内,随着反应体系温度升高,H2O的平衡产量变化趋势是_______ (填“增大”“减小”或“不变”),原因是_______ 。
I.CO2加氢合成CH3OH的反应体系中主要包含以下反应:
反应①CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) H1
反应②CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g) H2=+41.2kJ/mol
(1)已知:CO(g)+2H2(g)⇌CH3OH(g) H3=-90.8kJ/mol。反应①的H1=
(2)在Cu基催化下,CO2加氢合成CH3OH的反应历程如下图所示,其中吸附在Cu基催化剂表面上的物种用“*”标注。有化学键的断裂或形成的过程均认为发生了基元反应,该历程中共有
II.当原料组成为n(CO2):n(H2)=1:3时,上述反应体系在一定条件下建立平衡后,含碳产物中CH3OH的物质的量分数(Y)及CO2的转化率(Q)与反应温度的关系曲线如下图所示。
(3)下列表述正确的是_______(填标号)。
A.升高温度,CO2转化速率减慢 |
B.分离出水能提高甲醇的平衡产率 |
C.温度高于300℃后,含碳产物以CO为主 |
D.分析压强对CO2加氢合成CH3OH的影响,可知x>5 |
(5)在5MPa、300~400℃范围内,随着反应体系温度升高,H2O的平衡产量变化趋势是
CO2的资源化利用能有效减少CO2排放缓解能源危机,有助于实现碳达峰、碳中和。
I.CO2催化加氢制甲醇(CH3OH)
①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2kJ/mol
③CO(g)+H2(g)CH3OH(g) ΔH3=-45.1kJ/mol
(1)反应①的ΔH1=____ 。
(2)在催化剂作用下CO2加氢可制得甲醇,该反应历程如图所示(吸附在催化剂表面的物质用*标注,如*CO2表示CO2吸附在催化剂表面;图中*H已省略)。
上述合成甲醇的反应速率较慢,该反应过程中决速步反应的化学方程式为____ 。
(3)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有____ 。
II:CO2催化(固体催化剂)加氢合成甲烷
主反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-165kJ·mol-1
副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.1kJ·mol-1
在不同催化剂条件下反应相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性(CH4选择性=)随温度变化的影响如图所示。
(4)对比上述三种催化剂的催化性能,工业上选择的催化剂是Ni-20CeO2/MCM-41,其使用的合适温度为____ ℃左右(填选项)。
A.300 B.340 C.380 D.420
当温度高于400℃时,CO2转化率和生成CH4选择性均有所下降,其原因可能是____ 。(答出一点即可)
(5)向某恒容密闭容器中充入一定量的CO2和H2,其分压分别为0.85MPa、2.7MPa,在温度t℃,某催化剂催化下发生甲烷化反应,一段时间后,主、副反应均达平衡(不考虑其它副反应),测得容器内CH4和H2O的分压分别为0.6MPa、1.25MPa,则主反应的分压平衡常数Kp=____ MPa-2。
I.CO2催化加氢制甲醇(CH3OH)
①CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) ΔH1
②CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.2kJ/mol
③CO(g)+H2(g)CH3OH(g) ΔH3=-45.1kJ/mol
(1)反应①的ΔH1=
(2)在催化剂作用下CO2加氢可制得甲醇,该反应历程如图所示(吸附在催化剂表面的物质用*标注,如*CO2表示CO2吸附在催化剂表面;图中*H已省略)。
上述合成甲醇的反应速率较慢,该反应过程中决速步反应的化学方程式为
(3)上述反应体系在一定条件下建立平衡后,下列说法正确的有
A.加压,反应②的平衡不移动,化学平衡常数不变 |
B.增大H2的浓度,有利于提高CO2的平衡转化率 |
C.加入催化剂,可以降低反应的反应热 |
D.及时分离除CH3OH,循环利用CO2和H2,可以提高反应速率和原料的利用率 |
II:CO2催化(固体催化剂)加氢合成甲烷
主反应:CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g) ΔH1=-165kJ·mol-1
副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2=+41.1kJ·mol-1
在不同催化剂条件下反应相同时间,测得CO2转化率和生成CH4选择性(CH4选择性=)随温度变化的影响如图所示。
(4)对比上述三种催化剂的催化性能,工业上选择的催化剂是Ni-20CeO2/MCM-41,其使用的合适温度为
A.300 B.340 C.380 D.420
当温度高于400℃时,CO2转化率和生成CH4选择性均有所下降,其原因可能是
(5)向某恒容密闭容器中充入一定量的CO2和H2,其分压分别为0.85MPa、2.7MPa,在温度t℃,某催化剂催化下发生甲烷化反应,一段时间后,主、副反应均达平衡(不考虑其它副反应),测得容器内CH4和H2O的分压分别为0.6MPa、1.25MPa,则主反应的分压平衡常数Kp=
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