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。

Sabatior反应：CO₂（g）+4H₂（g）CH₄（g）+2H₂O（g）

水电解反应：2H₂O（g）2H₂（g）+O₂（g）

（1）将原料气按n（CO₂）：n（H₂）=1：4置于恒容密闭容器中发生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请将a、b、c三点的逆反应速率v_a、v_b、v_c由大到小排序：___。

②Sabatier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.提高原科气中CO₂所占比例

E.合理控制反应器中气体的流速

③高于380℃，H₂O的物质的量分数随温度升高而降低的原因是：___。

（2）一种新的循环利用方案是用Bosch反应CO₂（g）+2H₂（g）C（s）+2H₂O（g）  △H代替Sabatier反应，再电解水实现O₂的循环利用。

Ⅰ.①已知：CO₂（g）和H₂O（g）的生成焓为：-394kJ/mol，-242kJ/mol。则△H=____kJ/mol。（生成焓是一定条件下，由其对应最稳定单质生成1mol化合物时的反应热。）

②若要此反应自发进行___（填“高温”或“低温”）更有利。

③Bosch反应必须在高温下才能启动，原因是___。

Ⅱ.350℃时，向体积为2L的恒容密闭容器中通入8molH₂和4molCO₂发生以上反应，若反应起始和平衡时温度相同（均为350℃），测得反应过程中压强随时间的变化如表所示：

时间/min	0	10	20	30	40	50	60
压强	6.00P	5.60P	5.30P	5.15P	5.06P	5.00P	5.00P

①350℃时Bosch反应的K_p=___（K_p为用气体的分压表示的平衡常数，分压=气体的体积分数×体系总压）

②Bosch反应的速率方程：v_正=k_正•c（CO₂）•c²（H₂），v_逆=k_逆•c²（H₂O）（k是速率常数，只与温度有关）。30min时，___（填“＞”“＜”或“=”）；升高温度，k_正增大的倍数___k_逆增大的倍数。（填“＞”“＜”或“=”）

Answer

vc＞vb＞va CE 反应为放热反应，升温平衡逆向进行 -90 低温 反应的活化能高 ＞ ＜

【解析】

化学反应速率与温度成正比，温度升高，正逆反应速率变大，对于某物质的量或物质的量分数与温度的曲线题目中出现拐点，拐点及拐点之后才是平衡。

（1）①将原料气按n（CO2）：n（H2）=1：4置于恒容密闭容器中发生CO2（g）+4H2（g）⇌CH4（g）+2H2O（g），H2O（g）的物质的量分数与温度的关系分析可知，380°C前反应为达到平衡状态，380°C后三个温度，水的物质的量分数减小，说明升温平衡逆向进行，正反应为放热反应，温度越高反应速率越大，则a、b、c三点的逆反应速率va、vb、vc由大到小排序：vc＞vb＞va；故答案为：vc＞vb＞va；

②A．适当减压，平衡逆向进行，二氧化碳转化率减小，故A错误；

B．增大催化剂的比表面积，增大反应速率，不改变化学平衡，不改变二氧化碳转化率，故B错误；

C．反应器前段加热，后段冷却，平衡正向移动，二氧化碳转化率增大，故C正确；

D．提高原料气中CO2所占比例，平衡正向移动，但二氧化碳转化率减小，故D错误；

E．合理控制反应器中气体的流速，相当于增大浓度，平衡正向移动，二氧化碳转化率增大，故E正确；

故答案为：CE；

③高于380℃，H2O的物质的量分数随温度升高而降低，是因为反应为放热反应，升温平衡逆向进行；故答案为：反应为放热反应，升温平衡逆向进行；

（2）Ⅰ．①Bosch反应的△H=2（-242kJ•mol-1）-（-394kJ•mol-1）=-90kJ/mol；故答案为：-90；

② △H=-90kJ/mol，反应为△H＜0，△S＜0的反应，满足此反应自发进行，△H-T△S＜0，反应的温度是低温；故答案为：低温；

③断裂二氧化碳和氢气所需的能量较高，所以该反应所需的活化能较高，则一定条件下Bosch反应必须在高温下才能启动；故答案为：反应的活化能高；

Ⅱ．①向体积为2L的恒容密闭容器中通入8molH2和4molCO2发生以上反应，结合三段式计算平衡状态气体物质的量，设达到平衡状态消耗二氧化碳物质的量为x，

气体压强之比等于物质的量之比， ，得出x=2mol，则平衡下n(CO2)=2mol，n(H2)=4mol，P=5.00P，CO2%=20%，H2%=40%，H2O%=40%， ；故答案为 ；

②Bosch反应的速率方程： ，（k是速率常数，只与温度有关）。30min时，图表数据分析反应正向进行，v正＞v逆，则得到>，，反应为放热反应，升高温度，平衡逆向进行，v正＜v逆，k正增大的倍数＜k逆增大的倍数；故答案为：＞；＜。