为了有效减少碳排放，我们可利用CO2制备“合成气”(CO、H2)、甲醇、二甲醚等产品，进行资源化应用，利用CO2合成二甲醚有两种工艺。工艺一：涉及以下主要反应：Ⅰ.甲醇的合成：CO2(g)＋3H2(g)⇌CH3OH(g)＋H2O(g) ∆H1<0；Ⅱ.逆水汽变换：CO2(g)＋H2(g)⇌CO(g)＋H2O(g) ∆H2>0；Ⅲ.甲醇脱水：2CH3OH(g)⇌CH3OCH3(g)＋H2O(g) ∆H3>0。工艺二：利用CO2直接加氢合成CH3OCH3(反应Ⅳ)。

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1. 为了有效减少碳排放，我们可利用CO₂制备“合成气”(CO、H₂)、甲醇、二甲醚等产品，进行资源化应用，利用CO₂合成二甲醚有两种工艺。

工艺一：涉及以下主要反应：

Ⅰ.甲醇的合成：CO₂(g)＋3H₂(g)⇌CH₃OH(g)＋H₂O(g) ∆H₁<0；

Ⅱ.逆水汽变换：CO₂(g)＋H₂(g)⇌CO(g)＋H₂O(g) ∆H₂>0；

Ⅲ.甲醇脱水：2CH₃OH(g)⇌CH₃OCH₃(g)＋H₂O(g) ∆H₃>0。

工艺二：利用CO₂直接加氢合成CH₃OCH₃(反应Ⅳ)。

(1) ①反应Ⅳ的热化学方程式：2CO₂(g)＋6H₂(g)⇌CH₃OCH₃(g)＋3H₂O(g) ∆H₄=。(用上述反应的∆H表示)。

②恒温恒容条件下，下列说法能判断反应Ⅳ达到平衡的是(填字母)。

A．气体物质中碳元素与氧元素的质量比不变

B．容器内压强不变

C．容器内气体密度不变

D．混合气体的平均摩尔质量不变

(2) 工艺一需先合成甲醇。在不同压强下，按照n(CO₂)：n(H₂)=1：3投料合成甲醇，实验测定CH₃OH的平衡产率随温度的变化关系如甲图所示，CO₂的平衡转化率随温度的变化关系如乙图所示。

①下列说法正确的是。

A．P₁>P₂>P₃

B．为了同时提高CO₂的平衡转化率和CH₃OH的平衡产率，应选择低温、高压条件

C．一定温度、压强下，提高CO₂的平衡转化率的主要方向是寻找活性更高的催化剂

②图乙中，某温度时，三条曲线几乎交于一点的原因是。

(3) 对于反应CO₂(g)＋H₂(g)⇌CO(g)＋H₂O(g) ∆H₂>0，反应速率υ=υ正—υ逆=k正p(CO₂)p(H₂)—k逆p(CO)p(H₂O)，其中k正、k逆分别为正、逆反应速率常数，p为气体的分压(分压=总压×物质的量分数)。

①升高温度，k正—k逆(填“增大”“减小”或“不变”)。

②在T₁、刚性容器条件下，按照n(CO₂)：n(H₂)=1：1投料，Kc= $\text{[math]}$ ，反应达到平衡时CO₂转化率为。

③在T₂、101kPa条件下，按照n(CO₂)：n(H₂)=1：1投料，CO₂转化率为20％时， $\text{[math]}$ = $\text{[math]}$ ，用气体分压表示的平衡常数Kp=。

(4) 利用电化学装置可实现将 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 两种分子转化为常见化工原料，瑞典ASES公司设计的曾用于驱动潜艇的液氨—液氧燃料电池示意图如图所示：

①电极1发生的电极反应为

②电池工作一段时间后停止，溶液pH值(变大，变小，不变)。

【考点】

化学平衡常数; 化学平衡转化过程中的变化曲线;

【答案】

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综合题普通

1. 合理利用温室气体是当前能源与环境研究的热点。 $\text{[math]}$ 催化加氢可缓解 $\text{[math]}$ 对温室效应的影响，其原理为：

反应Ⅰ： $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ kJ⋅mol^-1

反应Ⅱ： $\text{[math]}$ $\text{[math]}$

(1) 反应Ⅰ的 $\text{[math]}$ 0(填“>”、“<”或“=”)，说明理由。

(2) 反应Ⅰ中， $\text{[math]}$ ， $\text{[math]}$ ，其中 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 分别为正、逆反应速率， $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 分别为正、逆反应速率常数， $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 仅受温度影响。请在下图中画出 $\text{[math]}$ 随T的变化斜线。( $\text{[math]}$ ， T表示温度)

(3) 在0.1MPa下，将1mol $\text{[math]}$ 和4mol $\text{[math]}$ 充入2L刚性密闭容器中，假设只发生反应Ⅰ，当CO平衡产率为40%时，此时总压为P，计算该温度下反应Ⅰ的平衡常数 $\text{[math]}$ 。(计算结果用分数表示)

(4) 某实验室控制 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 初始投料比为1∶2.2，经过相同时间测得如下四组实验数据：

反应序号	T/K	催化剂	$\text{[math]}$ 转化率/%	甲醇选择性/%
①	543	Cu/ZnO纳米棒	12.3	42.3
②	543	Cu/ZnO纳米片	10.9	72.7
③	553	Cu/ZnO纳米棒	15.3	39.1
④	553	Cu/ZnO纳米片	12.0	71.6

结合实验数据，选择Cu/ZnO(填“纳米棒”或“纳米片”)更有利于提高甲醇产率。

(5) 下图为 $\text{[math]}$ 和 $\text{[math]}$ 在某催化剂M表面发生反应Ⅱ得到单分子甲醇的反应历程(*表示吸附态)， $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ kJ⋅mol^-1(“eV”表示电子伏特，指一个电子的电位差加速后所获得的动能，leV $\text{[math]}$ J， $\text{[math]}$ mol^-1)。

(6) 对于反应Ⅱ，下列说法正确的是___________。 A. 低温、高压有利于提高 $\text{[math]}$ 转化为甲醇的平衡转化率 B. 增大 $\text{[math]}$ 与 $\text{[math]}$ 的初始投料比，有利于提高 $\text{[math]}$ 转化为甲醇的平衡转化率 C. 使用催化剂M生成甲醇的反应历程中， $\text{[math]}$ 是该反应的决速步 D. 及时分离出水可加快上述反应的反应速率

综合题普通

2. 工业合成氨是人类科学技术的一项重大突破。1909年哈伯在实验室中首次利用氮气与氢气反应合成氨： $\text{[math]}$ ，实现了人工固氮。

(1) 该反应的化学平衡常数表达式为。

(2) 测得在一定条件下氨的平衡含量如下表。

温度/℃	压强/MPa	氨的平衡含量
200	10	81.5%
550	10	8.25%

①该反应为放热反应，结合表中数据说明理由。

②哈伯选用的条件是550℃、10MPa，而非200℃、10MPa，可能的原因是。

(3) 某温度下，将N₂和H₂按一定比例充入1L恒容容器中，平衡后测得数据如下表：

	N₂	H₂	NH₃
平衡时各物质的物质的量/(mol)	1.00	3.00	1.00

①此条件下H₂的平衡转化率=。(保留一位小数)

②若平衡后，再向平衡体系中加入N₂、H₂和NH₃各1.00 mol，此时反应向方向(填“正反应”或“逆反应”)，结合计算说明理由：。

(4) 合成氨生产流程示意图如下。

①流程中，有利于提高原料利用率的措施是；有利于提高单位时间内氨的产率的措施有。(每空至少答出两点)

②“干燥净化”中，有一步操作是用铜氨液除去原料气中的CO，其反应为： $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ 。对吸收CO后的铜氨废液应该怎样处理？请提出你的建议：。

(5) 实验室研究是工业生产的基石。下图中的实验数据是在其他条件不变时，不同温度(200℃、400℃、600℃)、压强下，平衡混合物中NH₃的物质的量分数的变化情况。

①曲线a对应的温度是。

②M、N、Q点平衡常数K的大小关系是。

综合题普通

3. 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。

Sabatier反应：CO₂(g)+4H₂(g) $\text{[math]}$ CH₄(g)+2H₂O(g)

水电解反应：2H₂O(g)=2H₂(g)+O₂(g)

一种新的循环利用方案是用Bosch反应CO₂(g)+2H₂(g) $\text{[math]}$ C(s)+2H₂O(g)　ΔH<0代替Sabatier反应，再电解水实现O₂的循环利用。

回答下列问题：

(1) 有关上述反应，下列说法正确的是(填标号)。

A．室温下，2H₂O(g)⇌2H₂(g)+O₂(g)不能自发进行的原因为ΔS<0

B．可逆反应都有一定的限度，限度越大反应物的转化率一定越高

C．可逆反应中，若反应物的总能量>生成物的总能量，则ΔH<0

(2) 在Sabatier反应[反应Ⅰ：CO₂(g)+4H₂(g) $\text{[math]}$ CH₄(g)+2H₂O(g)　K_Ⅰ]体系中，还会发生副反应(反应Ⅱ)：CO₂(g)+H₂(g) $\text{[math]}$ CO(g)+H₂O(g)　K_Ⅱ；一定压强下，向某容积可变的密闭容器中通入CO₂和H₂的混合气体(其中CO₂和H₂的物质的量之比为1∶4)，在某催化剂的作用下同时发生反应Ⅰ和反应Ⅱ，测得CO₂的转化率、CH₄的选择性、CO的选择性随反应温度的变化情况如图所示。

已知：CH₄或CO的选择性指反应生成CH₄或CO时所消耗的CO₂的物质的量占参与反应的CO₂总物质的量的百分比。相同温度下，反应2CO(g)+2H₂(g)⇌CO₂(g)+CH₄(g)的平衡常数为(用含K_Ⅰ、K_Ⅱ的式子表示)；提高CH₄的选择性的措施有、。

(3) 对于Bosch反应CO₂(g)+2H₂(g)⇌C(s)+2H₂O(g)　ΔH<0，下列关于各图像的解释或得出的结论正确的是_____(填标号)。

A. 由甲图可知，反应在t₁min时可能改变了压强或使用了催化剂 B. 由乙图可知，反应在m点可能达到了平衡状态 C. 由丙图可知，反应过程中v_正>v_逆的点是C点 D. 由丁图可知，交点A表示的反应一定处于平衡状态

(4) 室温下，向体积为2L的恒容密闭容器中通入4molH₂和1molCO₂发生Sabatier反应：CO₂(g)+4H₂(g) $\text{[math]}$ CH₄(g)+2H₂O(g)(不考虑副反应)；若反应时保持温度恒定，测得反应过程中压强随时间的变化如下表所示：

时间/min	0	10	20	30	40	50	60
压强	5.00p	4.60p	4.30p	4.15p	4.06p	4.00p	4.00p

①0～10min内，v(CO₂)=mol·L^-1·min^-1 ，该温度下Sabatier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)。

②Sabatier反应的速率方程：v_正=k_正c(CO₂)c⁴(H₂)，v_逆=k_逆c(CH₄)c²(H₂O)(k是速率常数，只与温度有关)。20min时， $\text{[math]}$ $\text{[math]}$ ；反应达平衡时，升高温度，k_正增大的倍数k_逆增大的倍数。(填“>”“<”或“=”)

综合题困难

催化剂	t=350℃		t=400℃
催化剂	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$	$\text{[math]}$
催化剂Ⅰ	10.8	12722	345.2	42780
催化剂Ⅱ	9.2	10775	34	38932