(1)2017年中科院某研究团队通过设计一种新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能符合催化剂,成功实现了CO...
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(1)2017年中科院某研究团队通过设计一种新型Na-Fe3O4/HZSM-5多功能符合催化剂,成功实现了CO2直接加*制取**值汽油,该研究成果被评价为“CO2催化转化领域的突破*进展”。
已知:H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1=-285.8KJ/mol
C8H18 (1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH3=-5518KJ/mol
试写出25℃、101kPa条件下,CO2与H2反应生成汽油(以C8H18表示)的热化学方程式________
(2)利用CO2及H2为原料,在合适的催化剂(如Cu/ZnO催化剂)作用下,也可合成CH3OH,涉及的反应有:
*:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H=-53.7 kJ·mol-1平衡常数 K1
乙:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H=+41.2 kJ·mol-1平衡常数K2
①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常数K=______(用含K1、K2的表达式表示),该反应H_____0(填“大于”或“小于”)。
②提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有___________(填写两项)。
③催化剂和反应体系的关系就像锁和钥匙的关系一样,具有高度的选择*。下列四组实验,控制CO2和H2初始投料比均为1:2.2,经过相同反应时间(t1min)
温度(K) | 催化剂 | CO2转化率(%) | *醇选择*(%) | 综合选项 |
543 | Cu/ZnO纳米棒材料 | 12.3 | 42.3 | A |
543 | Cu/ZnO纳米片材料 | 11.9 | 72.7 | B |
553 | Cu/ZnO纳米棒材料 | 15.3 | 39.1 | C |
553 | Cu/ZnO纳米片材料 | 12.0 | 71.6 | D |
由表格中的数据可知,相同温度下不同的催化剂对CO2的转化为CH3OH的选择*有显著影响,根据上表所给数据结合反应原理,所得最优选项为___________(填字母符号)。
(3)以CO、H2为原料合成*醇的反应为:CO(g)+2H2(g)=CH3OH(g)。在体积均为2L的三个恒容密闭Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ中,分别都充入1molCO和2molH2,三个容器的反应温度分别为T1、T2、T3且恒定不变。图1为三个容器中的反应均进行到5min时H2的体积分数示意图,其中有一个容器反应一定达到平衡状态。CO的平衡转化率在不同压强下随温度的变化如图所示。
①0~5 min时间内容器Ⅱ中用CH3OH表示的化学反应速率为__________。
②三个容器中一定达到平衡状态的是容器________(填写容器代号)。
③工业实际合成CH3OH生产中,采用图2中M点而不是N点对应的反应条件,运用化学反应速率和化学平衡知识,同时考虑生产实际,说明选择该反应条件的理由_________________________。
【回答】
【*】 (1). 8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1)+16H2O(1) ΔH=-1627KJ/mol (2). K=K1/K2 (3). 小于 (4). 降低温度、减少产物浓度 (5). B (6). 0.0875mol/(L·min) (7). Ⅲ (8). M点的转化率较高,化学反应速率大,设备承压力小(若答为:M点转化率较高,催化剂活*大,设备承压力小等合理*得分)
【解析】(1)已知:①H2(g)+1/2O2(g)=H2O(l) ΔH1=-285.8kJ/mol,
②C8H18 (1)+25/2O2(g)=8CO2(g)+9H2O(1) ΔH3=-5518kJ/mol,
根据盖斯定律,由①×25-②得反应方程式:8CO2(g)+25H2(g)=C8H18(1) +16H2O(1) ΔH=20ΔH1-ΔH2=-285.8kJ/mol ×25-(-5518kJ/mol)= -1627kJ/mol;
(2) ①已知*:CO2(g)+3H2(g) CH3OH(g)+H2O(g) △H=-53.7 kJ·mol-1平衡常数 K1
乙:CO2(g)+H2(g) CO(g)+H2O(g) △H=+41.2 kJ·mol-1平衡常数K2
根据盖斯定律,由*-乙得反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)的平衡常数K=;△H=-53.7 kJ·mol-1-41.2 kJ·mol-1=-94.9 kJ·mol-1<0;②反应CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)是气体体积缩小的放热反应,提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有降低温度、减少产物浓度、按比例充入原料CO2和H2等;③由表中数据分析在相同温度下不同催化剂对*醇的选择*有显著影响,使用Cu/ZnO纳米片催化剂时*醇选择*高;使用相同的催化剂在不同温度下,虽然二氧化碳的转化率增加,*醇的选择*却减小,说明温度升高,副产物增加,因此综合考虑选B选项;(3)①CO(g)+2H2(g) CH3OH(g)
开始时的物质的量:1 2 0
转化的物质的量: a 2a a
平衡时的物质的量:1-a 2-2a a
容器Ⅱ中0~5 min内H2含量是20%,a=,v(CH3OH)= 0.0875mol/(L·min);②Ⅲ中温度高*气含量高,说明达到平衡升高温度平衡逆向移动,*气含量增加;③温度高化学反应速率增大,M点的转化率较高,化学反应速率大,设备承压力小或M点转化率较高,催化剂活*大,设备承压力小,因此选择M点条件。
知识点:化学反应速率 化学平衡
题型:综合题
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