Question

【題目】CO2的資源化利用一直是化學家們關注的重要課題，中科院大連化學物理研究所設計了一種新型多功能復合催化劑，成功地實現(xiàn)了CO2直接加氫制取高辛烷值汽油：5CO2(g)+16H2(g)=C5H12(l)+10H2O(l) ΔH=+a kJ/mol (反應①)，該研究成果被評價為“CO2催化轉(zhuǎn)化領域的突破性進展”。

(1)已知氫氣的燃燒熱為286 kJ/mol，若要利用H2的燃燒熱求a的值，則還需要知道一個反應的ΔH，該反應是___________。反應①在一定條件下具有自發(fā)性，則a_____0(填“>”或“<”)。

(2)向某密閉容器中按一定投料比充入 CO2、H2，控制條件使其發(fā)生反應：5CO2(g)+16H2(g)C5H12(1)+10H2O(1) ΔH。 測得H2的平衡轉(zhuǎn)化率與溫度、壓強之間的關系如圖所示：

則X表示____________，Y1____________Y2(填“>”或“<”)。欲提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率并提高單位時間內(nèi)C5H12(l)的產(chǎn)量，可采取的措施是_________(填兩種)。

(3)控制一定溫度、催化劑，按不同投料比[]將反應物通入到某密閉容器中，測得平衡時C5H12的百分含量與投料比之間的關系如圖所示，則n0=_____________。

(4)在釕一銠雙金屬催化劑的作用下，CH3OH、CO2、H2可高效地轉(zhuǎn)化為乙酸，反應方程式為CH3OH(g)+CO2(g)+H2(g)CH3COOH(g)+H2O(g) ΔH<0。一定溫度下，向某剛性容器中通入等物質(zhì)的量的三種原料氣，測得體系中的總壓強與時間的關系如表所示：

t/min	0	5	10	15	20	25	30
p/kPa	3	2.7	2.5	2.35	2.26	2.2	2.2

則反應開始到達平衡的過程中，v(CO2)=________kPa/min，Kp=_______span>kPa-1。

(5)碳捕捉技術的發(fā)展也有利于CO2在資源應用方面得到充分利用。常溫下，若某次用NaOH溶液捕捉空氣中的CO2所得溶液的pH=10，并測得溶液中c(HCO3-)=2c(CO32-)，則Ka2(H2CO3)=_______mol/L。

Answer 1

【答案】C5H12(l)+8O2(g)=5CO2(g)+6H2O(l) < 壓強 < 增大壓強、增大c(CO2) 3.2 0.032 80 5×10-11

【解析】

(1)先寫出氫氣燃燒熱的熱化學方程式，然后結合蓋斯定律分析缺少的內(nèi)容，利用反應自發(fā)性進行的判斷依據(jù)分析a的大��；

(2)由于該反應是一個氣體分子數(shù)目減小放熱的反應，根據(jù)變化曲線判斷X、Y表示的含義，然后利用溫度升高，平衡逆向移動，H2的轉(zhuǎn)化率降低比較Y1、Y2的大��；根據(jù)平衡移動原理分析能提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率和提高反應速率，增大單位時間內(nèi)C5H12(l)的產(chǎn)量的條件；

(3)由方程式及極端假設法，結合平衡移動原理分析平衡時體系中C5H12(l)的百分含量最高時氫氣與CO2的物質(zhì)的量的比；

(4)利用壓強比等于氣體的物質(zhì)的量的比，結合物質(zhì)反應轉(zhuǎn)化關系計算；先計算平衡時各種氣體的分壓，帶入平衡常數(shù)表達式可得Kp的值；

(5)利用鹽的水解規(guī)律結合溶液的pH及溶液中離子濃度關系計算。

(1)已知氫氣的燃燒熱為286 kJ/mol，可得其熱化學方程式：②：H2(g)+O2(g)=H2O(l) △H=-286 kJ/mol，根據(jù)蓋斯定律，16×②-①，整理可得：C5H12(l)+8O2(g)=5CO2(g)+6H2O(l)，所以要知道C5H12(l)+8O2(g)=5CO2(g)+6H2O(l)的反應熱，由于該反應是氣體體積減小的反應，△S<0，反應①在一定條件下具有自發(fā)性，△G=△H-T△S<0，所以△H<0，即a<0；

(2)該反應的正反應是一個氣體體積減小的放熱反應。在其他條件不變時，增大壓強，平衡正向移動，H2的轉(zhuǎn)化率會提高；而升高溫度，平衡逆向移動，H2轉(zhuǎn)化率降低，故根據(jù)曲線變化趨勢可知X表示壓強，Y表示溫度。壓強一定時，溫度越高，H2的平衡轉(zhuǎn)化率越小，因此溫度Y1 <Y2。增大壓強、增大CO2濃度均有利于平衡向右移動，在提高H2的平衡轉(zhuǎn)化率的同時也能提高反應速率，增大單位時間內(nèi)C5H12(l)的產(chǎn)量；

(3)根據(jù)反應方程式5CO2(g)+16H2(g)C5H12(1)+10H2O(1)可知，當按方程式計量數(shù)的比16：5=3.2投料時，兩種反應物的轉(zhuǎn)化率相同，在此條件下反應達到平衡狀態(tài)，得到C5H12(1)的平衡含量，若在反應達到平衡時增大其中任何一種反應物的濃度，平衡正向移動，但平衡移動的趨勢是微弱的，最終使反應物總物質(zhì)的量增大的倍數(shù)大于平衡移動使C5H12(l)增大的倍數(shù)，故C5H12(l)的含量反而降低，故要使平衡時C5H12(l)的含量最大，=3.2；

(4)在開始反應時向某剛性容器中通入等物質(zhì)的量的三種原料氣，此時容器內(nèi)氣體壓強為3 kPa，假設開始時n(CO2)=1 mol，開始時氣體的總物質(zhì)的量是3 mol，平衡時消耗了x mol CO2，因同溫同體積時，壓強比等于其物質(zhì)的量之比，故平衡時總物質(zhì)的量為2.2 mol，氣體的物質(zhì)的量減少了△n=3 mol-2.2 mol=0.8 mol。根據(jù)發(fā)生反應：CH3OH(g)+CO2(g)+H2(g)CH3COOH(g)+H2O(g) 可知：每有1 molCO2發(fā)生反應，反應后氣體的物質(zhì)的量減小1 mol，現(xiàn)在氣體的物質(zhì)的量減少了0.8 mol，所以反應的CO2物質(zhì)的量為0.8 mol，反應開始時壓強為p(CO2)=1 kPa，則平衡時p(CO2)=2.2 kPa×=0.2 kPa，則反應開始到達平衡的過程中，v(CO2)==0.032 kPa/min；根據(jù)反應中物質(zhì)的轉(zhuǎn)化關系可知平衡時，p(CH3OH)=p(H2)=p(CO2)=0.2 kPa，p(CH3COOH)=p(H2O)=0.8 kPa，所以在此條件下的化學平衡常數(shù)Kp==80 /kPa；

(5)根據(jù)CO32-+H2OHCO3-+OH-，Kh=，溶液的pH=10，則c(OH-)=10-4 mol/L，由于溶液中c(HCO3-)=2c(CO32-)，，所以Ka2(H2CO3)= mol/L =5×10-11 mol/L。