Question

2019年国际非政府组织“全球碳计划”12月4日发布报告：研究显示，全球二氧化碳排放量增速趋 缓。CO₂的综合利用是解决温室问题的有效途径。

（1）一种途径是将CO₂转化成有机物实现碳循环。如：

△H₃=____

（2）CO₂甲烷化反应是由法国化学家Paul Sabatier提出的，因此，该反应又叫Sabatier反应。CO₂催化氢化 制甲烷的研究过程如下：

①上述过程中，产生H₂反应的化学方程式为____

②HCOOH是CO₂转化为CH₄的中间体：CO₂HCOOHCH₄。当镍粉用量增加10倍后，甲酸的产量迅速减少，当增加镍粉用量时，CO₂镍催化氢化制甲烷的两步反应中反应速率增加较大的一步是_____填“I”或“Ⅱ”）。

（3）CO₂经催化加氢可以生成低碳烃，主要有两个竞争反应：

反应I:

反应Ⅱ：

在1 L恒容密闭容器中充人1 mol CO₂和4 mol H₂，测得平衡时有关物质的物质的量随温度变化如图所示。T₁℃时，CO₂的转化率为____。T₁℃时，反应I的平衡常数K= ___。

（4）已知CO₂催化加氢合成乙醇的反应原理为，m代表起始时的投料比，即

①图1中投料比相同，温度T₃>T₂>T₁，则△H ______（填“>”或“<”）0。

②m=3时，该反应达到平衡状态后p（总）=20a MPa，恒压条件下各物质的物质的量分数与温度的关系如图2。则曲线b代表的物质为 ___（填化学式），T₄温度时，反应达到平衡时物质d的分压p（d）=______

Answer

+1366.8kJ•mol-1 3Fe+4H2OFe3O4+4H2 Ⅱ 60% 0.045 ＜ CO2 2.5aMPa

【解析】

(1)已知反应①C2H4(g)+H2O(l)═C2H5OH (l)△H1=-44.2kJ•mol-1
②2CO2(g)+2H2O(l)═C2H4(g)+3O2(g)△H2=+1411.0 kJ•mol-1
结合盖斯定律，反应①+②结合得：2CO2(g)+3H2O(l)═C2H5OH(l)+3O2(g)△H3=△H1+△H2=-44.2kJ•mol-1+1411.0 kJ•mol-1=+1366.8kJ•mol-1；

(2)①根据流程图可知反应物为：Fe、H2O，生成物为：H2、Fe3O4，则化学方程式为：3Fe+4H2OFe3O4+4H2；
②当镍粉用量增加10倍后，甲酸的产量在迅速减少，说明甲酸的消耗速率大于其生成速率，因此说明反应Ⅱ的速率要比反应Ⅰ的速率增加得快；
(3)T1℃时体系内n(CH4)=0.2mol，则根据反应Ⅰ：CO2(g)+4H2(g)⇌CH4(g)+2H2O(g)可知该反应消耗的n(CO2)=0.2mol，消耗的n(H2)=0.8mol，生成的n(H2O)=0.4mol；体系内n(C2H4)=0.2mol，则根据反应Ⅱ：2CO2(g)+6H2(g)⇌C2H4(g)+4H2O(g)可知该反应消耗的n(CO2)=0.4mol，消耗的n(H2)=1.2mol，生成的n(H2O)=0.8mol；总消耗n(CO2)=0.2mol+0.4mol=0.6mol，所以α(CO2)=×100%=60%；
容器的体积为1L，所以平衡时，c(CO2)==0.4mol/L，c(H2)==2mol/L，c(CH4)==0.2mol/L，c(H2O)==1.2mol/L，平衡常数K==0.045；
(4)①根据图示，相同压强和投料比的条件下，温度越高，H2转化率越低，说明正反应为放热反应，△H＜0；
②温度升高，反应逆向进行，所以产物的物质的量是逐渐减少的，反应物的物质的量增大，由图可知，曲线a代表的物质为H2，b表示CO2，c为H2O，d为C2H5OH；
m=3时，设n(CO2)=3mol，n(H2)=9mol，列三段式如下：

根据图示，n(CO2)=n(C2H5OH)，即3-2x=x，解得x=1mol，C2H5OH的体积分数===12.5%，p(C2H5OH)=20aMPa×12.5%=2.5aMPa。