20.2022年11月30日,神舟十五號與神舟十四號乘組在“太空會師”。太空生命保障系統(tǒng)利用電解水供氧,生成的氫氣與宇航員呼出的二氧化碳在催化劑作用下生成水和甲烷,水可循環(huán)使用。
(1)已知CH4(g)+2O2(g)═CO2(g)+2H2O(l)ΔH1=-890kJ?mol-1
2H2(g)+O2(g)═2H2O(l)ΔH2=-572kJ?mol-1
H2O(l)═H2O(g)ΔH=44kJ?mol-1
寫出H2(g)與CO2(g)反應(yīng)生成CH4(g)和H2O(g)的熱化學(xué)方程式
。
(2)一定條件下,反應(yīng)CO2(g)+4H2(g)?CH4(g)+2H2O(g)達(dá)到平衡狀態(tài)。
①下列操作中,能提高H2平衡轉(zhuǎn)化率的是
。
a.加入催化劑
b.降低反應(yīng)溫度
c.移除H2O(g)
d.恒溫恒壓下通入惰性氣體
②某科研小組在一定溫度下模擬該反應(yīng),向容積為5L的抽空的密閉容器中通入0.2molCO2和0.6molH2,反應(yīng)平衡后測得CO2的轉(zhuǎn)化率為50%,則該反應(yīng)的平衡常數(shù)為
。
(3)在相同條件下,CO2(g)與H2(g)還會發(fā)生以下副反應(yīng):CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g),該副反應(yīng)的發(fā)生不利于氧循環(huán),原因是
。
(4)已知反應(yīng)CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g),CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)。為了提高甲醇的選擇性,某科研團(tuán)隊(duì)研制了一種具有反應(yīng)和分離雙功能的分子篩膜催化反應(yīng)器,原理如圖所示。
保持壓強(qiáng)為3MPa,溫度為260℃,向密閉容器中按投料比=3投入一定量CO2和H2,不同反應(yīng)模式下CO2的平衡轉(zhuǎn)化率和甲醇的選擇性的相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表所示。
實(shí)驗(yàn)組 |
反應(yīng)模式 |
|
溫度/℃ |
CO2的平衡轉(zhuǎn)化率/% |
CH3OH的選擇性/% |
Ⅰ |
普通催化反應(yīng)器 |
3 |
260 |
21.9 |
67.3 |
Ⅱ |
分子篩膜催化反應(yīng)器 |
3 |
260 |
36.1 |
100 |
①雙功能的分子篩膜催化反應(yīng)器模式下,恒溫恒容時(shí)發(fā)生反應(yīng)CO
2(g)+3H
2(g)?CH
3OH(g)+H
2O(g),不能說明反應(yīng)達(dá)到化學(xué)平衡狀態(tài)的是
。
a.c(H
2O)的濃度不變
b.混合氣體的平均相對分子質(zhì)量不變
c.混合氣密度不變
d.斷裂3molH-H鍵的同時(shí)斷裂2molO-H鍵
②由表中數(shù)據(jù)可知,雙功能的分子篩膜催化反應(yīng)器模式下,CO
2的轉(zhuǎn)化率明顯提高,可能的原因是:
。