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解答题-原理综合题 适中0.65 引用1 组卷98

阿根廷科学家MasVeronica等人利用Ni(Ⅱ)Al(Ⅲ)层状复合催化剂进行了乙醇水蒸气重整制氢的研究。其主要反应为

反应I.C2H5OH(g)+3H2O(g)=2CO2(g)+6H2(g) △H1=+173.3kJ/mol △S=+362.7J/(K•mol)

反应Ⅱ.C2H5OH(g)+H2O(g)=2CO(g)+4H2(g) △H2=+255.7kJ/mol

若在恒容密闭容器中发生上述反应。


(1)反应I在常温下______(填“能”或“不能”)自发进行。
(2)对上述恒容密闭容器中的体系，下列说法正确的是______。
A．增大H2O(g)的浓度，有利于提高C2H5OH平衡转化率
B．一定温度下，增大C2H5OH的浓度可以提高C2H5OH的平衡转化率
C．若气体的平均相对分子质量保持不变，说明反应体系已达平衡
D．升高温度可以使反应I、Ⅱ的正反应速率加快，逆反应速率减小，平衡向正反应方向移动
(3)研究发现，在压强为P0Pa，平衡时CO2和CO的选择性及H2的产率随温度的变化如图所示。CO的选择性=×100%。

   

①图中曲线表示平衡时H2产率随温度变化的曲线是______。

②在密闭容器中，以投料比n(C2H5OH)：n(H2O)=3：8通入混合气体，此时C2H5OH的转化率为66.67%，求交点M坐标为(500℃，50%)时反应Ⅱ的平衡常数Kp=______(只需列出计算表达式，不必化简。已知Kp是用反应体系中气体物质的分压表示的平衡常数，即将K表达式中的平衡浓度用平衡分压代替)

③一定能提高CO选择性的关键因素是______。

④请分析说明曲线②随温度变化的原因______。


(4)对乙醇水蒸气重整制氢反应I进行反应机理分析如下，“*”表示催化剂表面的活性中心，请补充完成基元反应iii。

i.C2H6O(g)+(*)→C2H6O*

ii.C2H6O*+(*)→CH4O*+CH2*

ⅲ.______

iv.CH2*+2H2O(g)→CO2(g)+3H2(g)+(*)

22-23高二下·湖北·期中
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知识点：化学平衡的移动及其影响因素转化率的相关计算及判断复合判据 答案解析 【答案】很抱歉，登录后才可免费查看答案和解析！
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全球大气CO2浓度升高对人类生产、生活产生了影响，碳及其化合物的资源化利用成为研究热点。回答下列问题：
(1)已知25℃时，大气中的CO2溶于水存在以下过程
①CO2(g)CO2(aq)
②CO2(aq)+H2O(1)H+(ag)+HCO(aq)       K
过程①的ΔH_____0(填“＞”“＜”或“=”)。溶液中CO2的浓度与其在大气中的分压(分压=总压×物质的量分数)成正比，比例系数为ymol·L-1·kPa-1。当大气压强为pkPa，大气中CO2(g)的物质的量分数为x时，溶液中H+的浓度为_____mol·L-1(忽略HCO和水的电离)。
(2)焦炭与水蒸气可在高温下反应制H2。
反应I：C(s)+H2O(g)CO(g)+H2(g) ΔH1=+131.3kJ·mol-1 K1
反应II：C(s)+2H2O(g)CO2(g)+2H2(g) ΔH2=+90.3kJ·mol-1 K2
反应III：CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) ΔH3=-41.0kJ·mol-1 K3
上述反应的化学平衡常数随温度变化的关系如图所示，表示K1、K2、K3的曲线分别是c、_____、_____。

②研究表明，反应III的速率方程为v=k[x(CO)·x(H2O)-]，x表示相应气体的物质的量分数，Kp为平衡常数(用平衡分压代替平衡浓度计算)，k为反应的速率常数，随温度升高而增大。在气体物质的量分数和催化剂一定的情况下，反应速率随温度的变化如图所示。根据速率方程分析T＞Tm时，v逐渐下降的原因是_____。

(3)甲烷干法重整制H2同时存在如下反应：
主反应：CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g) ΔH1
副反应：CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) ΔH2
温度为T℃，压强为p0的恒压密闭容器中，通入2molCH4和lmolCO2发生上述反应。平衡时H2O(g)的分压为p1，甲烷的转化率为40%。
①下列说法正确的是_____(填标号)
A.ΔH1和ΔH2不变，说明反应达到平衡状态
B.相同条件下，主反应的速率大于副反应，说明主反应的活化能小
C.选用合适的催化剂可以提高主反应的选择性，增大甲烷的平衡转化率
D.平衡后，若增大压强，主反应平衡逆向移动，副反应平衡不移动
②平衡时混合气体的总物质的量为_____mol，H2(g)的分压是_____(用含p0和p1的计算式表示)。
(4)甲醇燃料电池中，吸附在催化剂表面的甲醇分子逐步脱氢得到CO，四步可能脱氢产物及其相对能量如图，则最可行途径为a→_____(用b-j等代号表示)。
氢气的制取与储存是氢能源利用领域的研究热点。CH4－H2O(g)催化重整制氢，主要反应如下：
反应I：CH4(g)+H2O(g)⇌3H2(g)+CO(g)       ∆H1
反应Ⅱ：CH4(g)+2H2O(g) ⇌4H2(g)+CO2(g)       ∆H2
反应Ⅲ：CO(g)+H2O(g) ⇌H2(g)+CO2(g)       ∆H=-41.2kJ•mol-1
CH4－H2O(g)重整过程中自由能(∆G=∆H-T∆S，设∆H和∆S不随温度变化)随温度变化趋势如图1所示：

(1)反应Ⅱ焓变的符号：∆H2_______0(填“＞”或“＜”)，理由是_______。
(2)上述反应体系在一定条件下达到平衡后，下列说法正确的是_______。
A．及时分离出二氧化碳，可以使得反应I的正反应速率增大
B．降低温度，反应I逆向移动，反应Ⅲ正向移动
C．加入反应Ⅲ的催化剂，可以降低该反应的活化能和反应热
D．增大水蒸气的浓度，有利于提高甲烷的平衡转化率
(3)反应Ⅲ的速率v=v正-v逆=k正c(CO)•c(H2O)-k逆c(CO2)•c(H2)，其中k正、k逆分别为正、逆反应速率常数。升高温度时lgk正-lgk逆_______(填“增大”“减小”或“不变”)。
(4)一定温度下，向恒容密闭反应器中通入CH4和H2O(g)，起始时CH4和H2O(g)的分压分别为2MPa、6MPa，发生反应I、Ⅱ、Ⅲ。反应进行t1min时达到平衡状态，此时CO、CO2的分压分别为aMPa、bMPa。
①H2O(g)的平衡分压为_______MPa(用含a、b的代数式表示，下同)。
②反应I的Kp=_______(用平衡时各物质的分压代替物质的量浓度)。
(5)70～80℃，利用HCO与HCOO-的相互转化实现H2的储存与释放，其释放H2的一种机理如图1所示，该过程中使用的Pd/Ag/TiO2复合催化剂的结构及各部分所带电荷如图2所示。

①写出释氢反应的离子方程式：_______。
②根据元素电负性的变化规律，步骤I、Ⅱ可以描述为_______。
利用CO2合成甲醇、二甲醚技术是有效利用CO2资源，实现“碳中和”目标的重要途径。
(1)开发CO2直接催化加氢合成二甲醚技术是很好的一个研究方向。
主反应：2CO2(g)+6H2(g)⇌CH3OCH3(g)+3H2O(g) △H1=-122.54kJ•mol-1
副反应：CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g)   △H2
①已知25℃和101kPa下，H2(g)、CO(g)的燃烧热△H分别为-285.8kJ•mol-1、-283.0kJ•mol-1，H2O(l)=H2O(g) △H=+44kJ•mol-1，则△H2=_______kJ/mol。
②其他条件相同时，反应温度对CO2平衡转化率影响如下图所示。CO2平衡转化率随温度的升高先减小后增大的原因可能是_______。

③在催化剂作用下，向恒温恒压(250℃、3.0MPa)的密闭容器中充入反应气，n(CO)：(CO2)：n(H2)=1：5：20。反应平衡时测得CO2的转化率为20%，二甲醚的选择性为80%(已知二甲醚的选择性=×100%)，则副反应CO2(g)+H2(g)⇌CO(g)+H2O(g)的Kp=_______(用平衡分压代替平衡浓度计算，分压=总压×物质的量分数)。
(2)利用CO2合成甲醇也是有效利用CO2资源的重要途径。将原料气(CO2)：n(H2)=1：3充入某一恒容密闭容器中，只发生CO2(g)+3H2(g)⇌CH3OH(g)+H2O(g) △H3<0，在不同催化剂作用下，反应tmin时CO2的转化率随温度的变化如图所示。

①下列说法正确的是_______。
A.使用催化剂I时，d点已达到平衡
B.T3K的平衡常数大于T4K的平衡常数
C.若a点时，v(H2)正=3v(CH3OH)逆，则此条件下反应已达到最大限度
D.c点转化率比a点低的原因一定是催化剂活性降低
②若图中a点时反应已达平衡，现原料气按(CO2)：n(H2)=1：2.8充入同一恒容密闭容器中，在催化剂I的作用下发生反应。请在图中用实线画出了T3K～T5K之间CO2的平衡转化率变化曲线_______。
(3)水煤气变换反应的机理被广泛研究，其中有一种为羧基机理，某催化剂催化CO*+H2O*⇌CO2*+H2(g) (*表示吸附态、Ea表示活化能)步骤如下：
Ⅰ.H2O*→OH*+H*     Ea1=141.7kJ/mol
Ⅱ.CO*+OH*→COOH*     Ea2=39.5kJ/mol
Ⅲ.COOH*→CO2*+H*       Ea3=132.1kJ/mol
Ⅳ.2H*→H2(g)   Ea4=97.4kJ/mol
反应CO*+H2O*⇌CO2*+H2(g)的决速步骤是_______(填序号)。

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