Question

全球碳计划组织（GCP，The Global Carbon Project）报告称，2018年全球碳排放量约371亿吨，达到历史新高。

（1）中科院设计了一种新型的多功能复合催化剂，实现了CO₂直接加氢制取高辛烷值汽油，其过程如图1所示。

①已知：CO₂(g)+H₂(g)=CO(g)+H₂O(g)     △H= + 41 kJ·mol^-1

2CO₂(g)+6H₂(g)=4H₂O(g)+CH₂=CH₂(g)   △H= -128 kJ·mol^-1

则上述过程中CO和H₂转化为CH₂=CH₂的热化学方程式是_________。

②下列有关CO₂转化为汽油的说法，正确的是___________________（填标号）。

A. 该过程中，CO₂转化为汽油的转化率高达78%

B. 中间产物Fe₅C₂的生成是实现CO₂转化为汽油的关键

C. 在Na-Fe₃O₄上发生的反应为CO₂+H₂=CO+H₂O

D. 催化剂HZSM-5可以提高汽油中芳香烃的平衡产率

③若在一容器中充入一定量的CO₂和H₂，加入催化剂恰好完全反应，且产物只生成C₅以上的烷烃类物质和水。则起始时CO₂和H₂的物质的量之比不低于_________。

（2）研究表明，CO₂和H₂在一定条件下可以合成甲醇。反应方程式为CO₂(g)+3H₂(g)CH₃OH(g)+H₂O(g) △H<0。一定条件下，往2L恒容密闭容器中充入1.0molCO₂和3.0molH₂，在不同催化剂作用下合成甲醇，相同时间内CO₂的转化率随温度变化关系如图2所示。

①该反应自发进行的条件是__________（填“高温”“低温”或“任意温度”）

②催化效果最佳的催化剂是__________（填“A”“B”或“C”）；b点时，________（填“＞”“＜”或“＝”）。

③若容器容积保持不变，则不能说明该反应达到化学平衡状态的是________。

a.c(CO₂)与c(H₂)的比值保持不变

b.v(CO₂)_正＝v(H₂O)_逆

c.体系的压强不再发生变化

d.混合气体的密度不变

e.有lmolCO₂生成的同时有断开3mol的H-H键

f.气体的平均相对分子质量不变

④已知容器内的起始压强为100 kPa，若图2中c点已达到平衡状态，则该温度下反应的平衡常数K_p =____________________（只列出计算式，不要求化简，K_p为以分压表示的平衡常数，分压=总压×物质的量分数）。

Answer

2CO(g)+4H2(g)=CH2=CH2(g)+2H2O(g) ∆H=-210kJ∙mol-1 B 6:19 低温 A > ad

【解析】

根据已知热化学方程式运用盖斯定律书写新的热化学方程式；根据图示反应历程分析反应的中间产物，判断催化剂对反应的影响；根据烷烃的通式及题干信息进行相关计算；根据熵变和焓变判断反应是否自发进行；根据平衡状态的特征分析反应是否达到平衡状态；根据各物质的分压计算平衡常数。

（1）①已知：I CO2(g)+H2(g)=CO(g)+H2O(g) △H= + 41 kJ·mol-1，II 2CO2(g)+6H2(g)=4H2O(g)+CH2=CH2(g) △H= -128 kJ·mol-1，根据盖斯定律 II-I×2 得：2CO(g)+4H2(g)=CH2=CH2(g)+2H2O(g) △H=-128 kJ·mol-1-（+ 41 kJ·mol-1）×2=-210kJ∙mol-1，故热化学方程式为：2CO(g)+4H2(g)=CH2=CH2(g)+2H2O(g) ∆H=-210kJ∙mol-1；

②A. 由图示分析78%并不是表示CO2转化为汽油的转化率，故A错误；

B. 中间产物Fe5C2是无机物转化为有机物的中间产物，是转化的关键，故B正确；

C. 根据图1所示，在Na-Fe3O4上发生的反应应为CO2生成CO的反应，氢气未参加反应，故C错误；

D. 催化剂HZSM-5的作用是加快反应速率，对平衡产率没有影响，故D错误；

故答案为：B；

③烷烃的通式为CnH(2n+2)，假设只生成C6H14和水，则根据原子守恒知：6molCO2恰好完全反应生成1molC6H14和12molH2O需要的H2的物质的量为：，所以CO2和H2的物质的量之比不低于6mol:19mol=6:9，故答案为：6:9；

（2）①该反应为放热反应，△H<0，根据方程式知：△S<0，根据ΔG=ΔH－TΔS，若ΔG<0则T较小，即低温时该反应自发进行，故答案为：低温；

②如图所示相同时间内催化剂A的转化率较高，说明反应较快催化效果好；b点时，还未达到平衡，则说明＞，故答案为：A；＞；

③a.c(CO2)与c(H2)初始时比值为1：3，所以按照化学计量数1:3反应后，比值始终保持不变，不能说明该反应达到平衡，故a选；

b.根据化学计量数之比知：v(CO2)正=v(H2O)正=v(H2O)逆，正逆反应速率相等，则说明已经达到平衡，故b不选；

c.该反应为气体减小的反应，所以当体系的压强不再发生变化，说明反应物和生成物浓度保持不变，能说明达到平衡状态，故c不选；

d.根据质量守恒原理知，反应前后总质量始终不变，且容器体积不变，则混合气体的密度始终不变，所以气体密度不变不能说明达到平衡，故d选；

e.断开3mol的H-H键时说明有3mol氢气消耗，则应该消耗1molCO2，则CO2的浓度保持不变，能说明达到平衡状态，故e不选；

f.反应前后气体的物质的量减小，质量保持不变，则气体的平均相对分子质量应增大，若不变，说明达到平衡状态，故f不选；

故答案为：ad；

④c点时CO2的转率为80%，则反应掉1mol×80%=0.8mol，

起始状态容器中气体总物质的量为1mol+3mol=4mol，平衡时容器中气体总物质的量为0.2mol+0.6mol+0.8mol+0.8mol=2.4mol，容器体积不变，起始压强为100 kPa，则平衡时总压强为：100kPa×=60kPa，根据分压=总压×物质的量分数计算得：，故答案为：。