以天然气为原料合成氨是现代合成氨工业发展的方向与趋势
(一)天然气与氮气为原料,以固态质子交换膜为电解质,在低温常压下通过电解原理制备氨气如图所示:
写出在阴极表面发生的电极反应式:_____________ 。
(二)天然气为原料合成氨技术简易流程如下:
一段转化主要发生的反应如下:
①CH4(g) +H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH1 = 206 kJ·molˉ1
②CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ΔH2 = -41 kJ·molˉ1
二段转化主要发生的反应如下:
③2CH4(g)+ O2(g) 2CO(g)+4H2(g) ΔH3 = -71.2 kJ·molˉ1
④2CO(g) + O2(g) 2CO2(g) ΔH4 = -282 kJ·molˉ1
(1)已知CO中不含C=O,H-H的键能为436 kJ·molˉ1,H-O的键能为463 kJ·molˉ1,C-H的键能为414 kJ·molˉ1,试计算C=O的键能_________ 。
(2)实验室模拟一段转化过程,在800oC下,向体积为1L的恒容密闭反应器中,充入1mol的CH4与1mol的H2O,达到平衡时CH4的转化率为40%,n(H2)为1.4mol,请计算反应②的平衡常数_________ 。
(3)下列说法正确的是_________ 。
A.合成氨过程实际选择的温度约为700℃,温度过高或过低都会降低氨气平衡产率
B.上述工业流程中压缩既能提高反应速率又能提高合成氨的产率
C.二段转化释放的热量可为一段转化提供热源,实现能量充分利用
D.二段转化过程中,需严格控制空气的进气量,否则会破坏合成气中的氢氮比
(4)已知催化合成氨中催化剂的活性与催化剂的负载量、催化剂的比表面积和催化反应温度等因素有关,如图所示:
①实验表明相同温度下,负载量5%催化剂活性最好,分析负载量9%与负载量1%时,催化剂活性均下降的可能原因是________ 。
②在上图中用虚线作出负载量为3%的催化剂活性变化曲线_______ 。
(一)天然气与氮气为原料,以固态质子交换膜为电解质,在低温常压下通过电解原理制备氨气如图所示:
写出在阴极表面发生的电极反应式:
(二)天然气为原料合成氨技术简易流程如下:
一段转化主要发生的反应如下:
①CH4(g) +H2O(g) CO(g)+3H2(g) ΔH1 = 206 kJ·molˉ1
②CO(g) + H2O(g) CO2(g) + H2(g) ΔH2 = -41 kJ·molˉ1
二段转化主要发生的反应如下:
③2CH4(g)+ O2(g) 2CO(g)+4H2(g) ΔH3 = -71.2 kJ·molˉ1
④2CO(g) + O2(g) 2CO2(g) ΔH4 = -282 kJ·molˉ1
(1)已知CO中不含C=O,H-H的键能为436 kJ·molˉ1,H-O的键能为463 kJ·molˉ1,C-H的键能为414 kJ·molˉ1,试计算C=O的键能
(2)实验室模拟一段转化过程,在800oC下,向体积为1L的恒容密闭反应器中,充入1mol的CH4与1mol的H2O,达到平衡时CH4的转化率为40%,n(H2)为1.4mol,请计算反应②的平衡常数
(3)下列说法正确的是
A.合成氨过程实际选择的温度约为700℃,温度过高或过低都会降低氨气平衡产率
B.上述工业流程中压缩既能提高反应速率又能提高合成氨的产率
C.二段转化释放的热量可为一段转化提供热源,实现能量充分利用
D.二段转化过程中,需严格控制空气的进气量,否则会破坏合成气中的氢氮比
(4)已知催化合成氨中催化剂的活性与催化剂的负载量、催化剂的比表面积和催化反应温度等因素有关,如图所示:
①实验表明相同温度下,负载量5%催化剂活性最好,分析负载量9%与负载量1%时,催化剂活性均下降的可能原因是
②在上图中用虚线作出负载量为3%的催化剂活性变化曲线
更新时间:2020-04-27 16:23:50
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【推荐1】氨气和甲醇都是重要的工业产品,试运用必要的化学原理解决有关问题。
(1)在密闭容器中,使和在一定条件下发生反应:。
①平衡后,和的转化率的比值_______ 1(填“>”“<”或“=”)。
②当达到平衡时,保持恒温,压缩容器体积,平衡_______ (填“正向”“逆向”或“不”)移动,化学平衡常数K_______ (填“增大”“减小”或“不变”)。
(2)水煤气在一定条件下可合成甲醇:。将和充入恒容密闭容器中,在一定条件下合成甲醇,反应相同时间()时测得不同温度下的转化率如图所示:
①温度在下,从反应开始至末,这段时间内的反应速率_______ 。
②由图可知,在温度低于时,的转化率随温度的升高而增大,原因是_______ 。
③已知c点时容器内气体的压强为P,则在下该反应的压强平衡常数为_______ (用含p的代数式表示,是用各气体的分压替代浓度来计算的平衡常数,分压=总压×物质的量分数)。
(3)探究合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高的产率。以为原料合成涉及的主要反应如下:
I.
II.
III.
一定条件下,向体积为的恒容密闭容器中通入和发生上述反应,达到平衡时,容器中为,为,此时的浓度为_______ (用含a、b、V的代数式表示,可以不化简,下同),反应Ⅲ的平衡常数为_______ 。
(1)在密闭容器中,使和在一定条件下发生反应:。
①平衡后,和的转化率的比值
②当达到平衡时,保持恒温,压缩容器体积,平衡
(2)水煤气在一定条件下可合成甲醇:。将和充入恒容密闭容器中,在一定条件下合成甲醇,反应相同时间()时测得不同温度下的转化率如图所示:
①温度在下,从反应开始至末,这段时间内的反应速率
②由图可知,在温度低于时,的转化率随温度的升高而增大,原因是
③已知c点时容器内气体的压强为P,则在下该反应的压强平衡常数为
(3)探究合成反应化学平衡的影响因素,有利于提高的产率。以为原料合成涉及的主要反应如下:
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一定条件下,向体积为的恒容密闭容器中通入和发生上述反应,达到平衡时,容器中为,为,此时的浓度为
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【推荐2】甲醚是重要的有机合成原料,甲醇制备甲醚的反应:;工业上常用CO2或CO催化氢化法合成CH3OH。回答下列问题:
(1)CO2和H2在某催化剂表面合成CH3OH:,反应历程如图甲所示,其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。该反应历程中活化能最小步骤的化学方程式为___________ 。已知(△H、△S随温度的变化不大),随温度的变化关系如图乙所示,图中表示该反应的直线是___________ (填代号)。
(2)CO催化加氢法合成CH3OH,进而制备CH3OCH3的过程中涉及如下反应:
反应I:
反应II:
反应III:
①在298K,101kPa时,CO(g)、H2(g)、CH3OH(g)的摩尔燃烧焓如下表:
则△H2=___________ 。
②一定温度下,向2L恒容密闭容器中充入2molCO(g)和4molH2(g)制备,初始压强为p0Pa,5min达到平衡时CO(g)的转化率为70%,c(CH3OH)=2c(CH3OCH3),且c(H2)=0.9mol⋅L-1.则0~5min内,v(CO)=___________ mol。L-1.min-1;反应I的平衡常数Kp=___________ (用p0表示);平衡后,保持温度和容器体积不变,向容器中再充入1molCO(g)和2molH2(g),重新达到平衡后,CH3OCH3(g)的物质的量分数___________ (填“增大”、“减小”或“不变”)。
(1)CO2和H2在某催化剂表面合成CH3OH:,反应历程如图甲所示,其中吸附在催化剂表面上的物种用*标注。该反应历程中活化能最小步骤的化学方程式为
(2)CO催化加氢法合成CH3OH,进而制备CH3OCH3的过程中涉及如下反应:
反应I:
反应II:
反应III:
①在298K,101kPa时,CO(g)、H2(g)、CH3OH(g)的摩尔燃烧焓如下表:
物质 | CO(g) | H2(g) | CH3OH(g) |
摩尔燃烧焓(△H)/(kJ·mol-1) | -283.0 | -285.8 | -726.5 |
②一定温度下,向2L恒容密闭容器中充入2molCO(g)和4molH2(g)制备,初始压强为p0Pa,5min达到平衡时CO(g)的转化率为70%,c(CH3OH)=2c(CH3OCH3),且c(H2)=0.9mol⋅L-1.则0~5min内,v(CO)=
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【推荐3】国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上发表重要讲话:应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向,中国将提高国家自主贡献力度,采取更加有力的政策和措施,二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和。各国要树立创新、协调、绿色、开放、共享的新发展理念,抓住新一轮科技革命和产业变革的历史性机遇,推动疫情后世界经济"“绿色复苏”,汇聚起可持续发展的强大合力。CO2和CH4是两种主要的温室气体,以CH4和CO2为原料制造更高价值的化学产品是用来缓解温室效应的研究方向,回答下列问题:
(1)工业上CH4一H2О催化重整是目前大规模制取合成气(CO和H2混合气称为合成气)的重要方法,其原理为:
反应I:CH4(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H1=+206.4kJ/mol
反应II:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41kJ/mol
CH4(g)和H2O(g)反应生成CO2(g)和H2(g)的热化学方程式是___________ 。
(2)将1molCH4(g)和1molH2O(g)加入恒温恒压的密闭容器中(温度298K、压强100kPa),发生反应I,不考虑反应II的发生,该反应中,正反应速率v正=k正p(CH4)×p(H2O),p为分压(分压=总压×物质的量分数),若该条件下k正=4.5×10-4kPa-1·s-1,当CH4分解20%时,v正___________ kPa·s-1。
(3)将CO2和CH4在一定条件下反应可制得合成气,在1L密闭容器中通入CH4与CO2,使其物质的量浓度均为1.0mol/L,在一定条件下发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度及压强的关系如图所示:
①压强P1、P2、P3、P4由小到大的关系为___________ 。
②对于气相反应,用某组分(B)的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数(记作Kp),如果P4=2MPa,求x点的平衡常数Kp=___________ (用平衡分压代替平衡浓度计算)。
③下列措施中能使平衡正向移动的是___________ (填字母)。
a.升高温度
b.增大压强
c.保持温度、压强不变,充入He
d.恒温、恒容,再充入1molCO2和1molCH4
(4)科学家研究了利用如图所示装置可以将温室气体CO2转化为燃料气体CO。下列说法中正确的是___________ 。
A.该装置工作时,H从b极区向a极区移动
B.反应过程中,电极a附近溶液的pH值将增大
C.该过程的总反应方程式为:2CO2=O2+2CO
D.该装置中每生成1molCO,同时生成11.2LO2
该装置工作时,b电极的电极反应式为___________ 。
(1)工业上CH4一H2О催化重整是目前大规模制取合成气(CO和H2混合气称为合成气)的重要方法,其原理为:
反应I:CH4(g)+H2O(g)CO2(g)+3H2(g) △H1=+206.4kJ/mol
反应II:CO(g)+H2O(g)CO2(g)+H2(g) △H2=-41kJ/mol
CH4(g)和H2O(g)反应生成CO2(g)和H2(g)的热化学方程式是
(2)将1molCH4(g)和1molH2O(g)加入恒温恒压的密闭容器中(温度298K、压强100kPa),发生反应I,不考虑反应II的发生,该反应中,正反应速率v正=k正p(CH4)×p(H2O),p为分压(分压=总压×物质的量分数),若该条件下k正=4.5×10-4kPa-1·s-1,当CH4分解20%时,v正
(3)将CO2和CH4在一定条件下反应可制得合成气,在1L密闭容器中通入CH4与CO2,使其物质的量浓度均为1.0mol/L,在一定条件下发生反应:CH4(g)+CO2(g)2CO(g)+2H2(g),测得CH4的平衡转化率与温度及压强的关系如图所示:
①压强P1、P2、P3、P4由小到大的关系为
②对于气相反应,用某组分(B)的平衡压强p(B)代替物质的量浓度c(B)也可表示平衡常数(记作Kp),如果P4=2MPa,求x点的平衡常数Kp=
③下列措施中能使平衡正向移动的是
a.升高温度
b.增大压强
c.保持温度、压强不变,充入He
d.恒温、恒容,再充入1molCO2和1molCH4
(4)科学家研究了利用如图所示装置可以将温室气体CO2转化为燃料气体CO。下列说法中正确的是
A.该装置工作时,H从b极区向a极区移动
B.反应过程中,电极a附近溶液的pH值将增大
C.该过程的总反应方程式为:2CO2=O2+2CO
D.该装置中每生成1molCO,同时生成11.2LO2
该装置工作时,b电极的电极反应式为
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【推荐1】氢能是一种理想的绿色能源,一种太阳能两步法甲烷蒸气重整制氢原理合成示意图如下:
(1)第I步:。总反应可表示为:。写出第II步反应的热化学方程式:___________ 。
(2)实验测得分步制氢比直接利用和反应具有更高的反应效率,原因是________ 。
(3)第I、II步反应的图像如下。
由图像可知a___________ b(填“大于”或“小于”),时第I步反应平衡时的平衡分压,则平衡混合气体中的体积分数为___________ (保留一位小数)。
(4)第I步反应产生的合成气(CO和的混合气体)可用于F—T合成(以合成气为原料在催化剂和适当条件下合成碳氢化合物的工艺过程)。合成碳氢化合物时易发生副反应:,如下图为相同条件下用不同催化剂在不同时间段测得反应体系内的分数,据此应选择的催化剂是___________ (填“I”或“II”),选择的依据是___________ 。
(1)第I步:。总反应可表示为:。写出第II步反应的热化学方程式:
(2)实验测得分步制氢比直接利用和反应具有更高的反应效率,原因是
(3)第I、II步反应的图像如下。
由图像可知a
(4)第I步反应产生的合成气(CO和的混合气体)可用于F—T合成(以合成气为原料在催化剂和适当条件下合成碳氢化合物的工艺过程)。合成碳氢化合物时易发生副反应:,如下图为相同条件下用不同催化剂在不同时间段测得反应体系内的分数,据此应选择的催化剂是
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【推荐2】工业尾气脱硝是减少空气污染的重要举措。回答下列问题:
(1)已知相关反应的热力学数据如下。
①脱硝反应的___________ 。时,为了提高该反应中NO的平衡转化率,理论上可采取的措施是___________ 。
A.恒容时增大的压强 B.减小反应容器的容积
C.移去部分 D.选择合适的催化剂
②另一脱硝反应的___________ 。
(2)模拟工业尾气脱硝:一定条件下,将的气体与Ar混合,匀速通过催化脱硝反应器,测得NO去除率和转化率随反应温度的变化如图。
当温度低于时,NO的去除率随温度升高而升高,可能原因是___________ ;高于时,NO的去除率随温度升高而降低,结合(1)的信息分析其可能原因是___________ 。
(3)中国科学家利用Cu催化剂实现电化学脱硝。通过理论计算推测电解池阴极上NO可能的转化机理及转化步骤的活化能分别如下(*表示催化剂表面吸附位,如表示吸附于催化剂表面的NOH)。
I.
Ⅱ.
Ⅲ.
Ⅳ.
V.
上述反应机理中,Ⅱ~V中速率最慢的步骤是___________ 。若电路中有电子流过,其中生成的选择性为95%,电解池阴极生成的的物质的量为___________ mmol。
(1)已知相关反应的热力学数据如下。
反应 | ||
A.恒容时增大的压强 B.减小反应容器的容积
C.移去部分 D.选择合适的催化剂
②另一脱硝反应的
(2)模拟工业尾气脱硝:一定条件下,将的气体与Ar混合,匀速通过催化脱硝反应器,测得NO去除率和转化率随反应温度的变化如图。
当温度低于时,NO的去除率随温度升高而升高,可能原因是
(3)中国科学家利用Cu催化剂实现电化学脱硝。通过理论计算推测电解池阴极上NO可能的转化机理及转化步骤的活化能分别如下(*表示催化剂表面吸附位,如表示吸附于催化剂表面的NOH)。
I.
Ⅱ.
Ⅲ.
Ⅳ.
V.
上述反应机理中,Ⅱ~V中速率最慢的步骤是
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【推荐3】某小组同学探究Cu和H2O2的反应,进行如下实验。
实验ⅰ:向装有的烧杯中加入溶液,一段时间内无明显现象,10小时后,溶液中有少量蓝色浑浊,Cu片表面附着少量蓝色固体。
(1)蓝色固体是_______ (填化学式)。
针对该反应速率较慢,小组同学查阅资料,设计并完成了下列实验。
资料:(深蓝色)
(2)实验中ⅱ:溶液变蓝的原因是_______ (用化学用语解释)。
(3)实验ⅲ中:
①深蓝色溶液含有,其中提供空轨道的微粒是_______ ,提供孤电子对的原子是_______ 。
②对比实验ⅰ和ⅲ,为探究氨水对的还原性或氧化性的影响,利用下图装置继续实验。
已知:电压大小反映了物质氧化性与还原性强弱的差异;差异越大,电压越大
a.K闭合时,电压为x。
b.向U型管右侧溶液中滴加氨水后,电压不变。
c.继续向U型管左侧溶液中滴加氨水后,电压增大了y。
该实验的结论是_______ ,结合化学用语解释c中电压增大的原因_______ 。利用该方法也可证明酸性增强可提高的氧化性,导致溶解速率加快。
(4)对比实验ii和iii,实验iii中产生氧气速率明显更快,可能的原因是_______ 。
(5)基于以上实验,影响Cu与反应速率的因素有_______ 。
实验ⅰ:向装有的烧杯中加入溶液,一段时间内无明显现象,10小时后,溶液中有少量蓝色浑浊,Cu片表面附着少量蓝色固体。
(1)蓝色固体是
针对该反应速率较慢,小组同学查阅资料,设计并完成了下列实验。
资料:(深蓝色)
装置 | 序号 | 试剂a | 现象 |
ⅱ | 与混合液 | 表面很快生产少量气泡,溶液逐渐变蓝,产生较多气泡 | |
ⅲ | 与氨水混合液 | 溶液立即变为深蓝色,产生大量气泡,表面有少量蓝色不溶物 |
(3)实验ⅲ中:
①深蓝色溶液含有,其中提供空轨道的微粒是
②对比实验ⅰ和ⅲ,为探究氨水对的还原性或氧化性的影响,利用下图装置继续实验。
已知:电压大小反映了物质氧化性与还原性强弱的差异;差异越大,电压越大
a.K闭合时,电压为x。
b.向U型管右侧溶液中滴加氨水后,电压不变。
c.继续向U型管左侧溶液中滴加氨水后,电压增大了y。
该实验的结论是
(4)对比实验ii和iii,实验iii中产生氧气速率明显更快,可能的原因是
(5)基于以上实验,影响Cu与反应速率的因素有
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【推荐1】汽车尾气中含有上百种不同的化合物,其中的污染物有固体悬浮颗粒、一氧化碳、二氧化碳、碳氢化合物、氮氧化合物、铅及硫氧化合物等,一辆轿车一年排放的有害废气比自身重量大3倍。其中NO气体是由于内燃机燃烧的高温引起N2和O2反应所致:N2(g)+O2(g)2NO(g) △H>0,已知该反应在2404℃时,平衡常数K=64×10-4。请回答:
(1)某温度下,向4L密闭容器中充入N2和O2各4mol,平衡时,5分钟后O2的物质的量为1mol,则N2的反应速率是____________ 。
(2)恒容条件下,判断该反应达到平衡的标志是________ 。(填字母序号)。
A.消耗1mol N2同时生成1mol O2 B.混合气体密度不变
C.混合气体平均相对分子质量不变 D.2v(N2)正=v(NO)逆
(3)将N2、O2的混合气体充入恒温恒容密闭容器中,下列变化趋势正确的是________ (填字母序号)。
(4)可逆反应N2(g)+O2(g)2NO(g)的平衡常数表达式为____________ 。温度升高,平衡常数将会_____________ (填“增大、或“减小”)
(5)该温度下,某时刻测得容器内N2、O2、NO的浓度分别为2.5×10-1mol·L-1、4.0×10-2mol·L-1和3.0×10-3mol·L-1,此时反应___________ (填“处于化学平衡状态”、“向正反应方向进行”或“向逆反应方向进行”)。
(6)火箭燃料N2H4(肼)在NO2中燃烧,生成N2、液态水。已知:
N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H1=+67kJ/mol
N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l) △H2=-534kJ/mol
由此请写出发射火箭时燃烧反应的热化学方程式____________________ 。
(1)某温度下,向4L密闭容器中充入N2和O2各4mol,平衡时,5分钟后O2的物质的量为1mol,则N2的反应速率是
(2)恒容条件下,判断该反应达到平衡的标志是
A.消耗1mol N2同时生成1mol O2 B.混合气体密度不变
C.混合气体平均相对分子质量不变 D.2v(N2)正=v(NO)逆
(3)将N2、O2的混合气体充入恒温恒容密闭容器中,下列变化趋势正确的是
(4)可逆反应N2(g)+O2(g)2NO(g)的平衡常数表达式为
(5)该温度下,某时刻测得容器内N2、O2、NO的浓度分别为2.5×10-1mol·L-1、4.0×10-2mol·L-1和3.0×10-3mol·L-1,此时反应
(6)火箭燃料N2H4(肼)在NO2中燃烧,生成N2、液态水。已知:
N2(g)+2O2(g)=2NO2(g) △H1=+67kJ/mol
N2H4(g)+O2(g)=N2(g)+2H2O(l) △H2=-534kJ/mol
由此请写出发射火箭时燃烧反应的热化学方程式
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【推荐2】甲醇常用作溶剂、燃料及化工原料。通过回收大气中的CO2制备甲醇是研究思路之一。在催化剂存在下,CO2和H2可发生两个平行反应,分别生成CH3OH和CO。反应的热化学方程式如下:
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-53.7kJ·mol-1 I
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2 II
控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2,在恒容条件下经过相同反应时间测得如表实验数据:
【注】①Cat1:Cu/ZnO纳米棒;Cat.2:Cu/ZnO纳米片;
②甲醇选择性:转化的CO2中生成甲醇的百分比。
已知:①CO和H2的燃烧热分别为-283.0kJ·mol-1和-285.8kJ·mol-1;
②H2O(l)=H2O(g) △H3=+44kJ·mol-1。
请回答下列问题:
(1)反应I的平衡常数表达式K=____ ;反应II的△H2=____ kJ·mol-1。
(2)某温度下甲醇浓度随时间变化如表,反应5~25s内,甲醇的反应速率为____ 。
(3)有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有___ 。
A.使用催化剂Cat.1
B.使用催化剂Cat.2
C.降低反应温度
D.投料比不变,增加反应物的浓度
E.增大CO2和H2的初始投料比
(4)表中实验数据表明,在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响,其原因是____ 。
(5)甲醇可用于制取丙烯,反应为:3CH3OH(g)→C3H6(g)+3H2O(g),反应的Arrhenius经验公式的实验数据如图中曲线a所示,已知Arrhenius经验公式为Rlnk=-+C(其中Ea为活化能,k为速率常数,R和C为常数)。该反应的活化能Ea=____ kJ·mol-1。
(6)当使用更高效催化剂时,Rlnk与关系的示意图应为图中的____ (填“b”或“c”)。
CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g) △H1=-53.7kJ·mol-1 I
CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g) △H2 II
控制CO2和H2初始投料比为1∶2.2,在恒容条件下经过相同反应时间测得如表实验数据:
T(K) | 催化剂 | CO2转化率(%) | 甲醇选择性(%) |
543 | Cat.1 | 12.3 | 42.3 |
543 | Cat.2 | 10.9 | 72.7 |
553 | Cat.1 | 15.3 | 39.1 |
553 | Cat.2 | 12.0 | 71.6 |
【注】①Cat1:Cu/ZnO纳米棒;Cat.2:Cu/ZnO纳米片;
②甲醇选择性:转化的CO2中生成甲醇的百分比。
已知:①CO和H2的燃烧热分别为-283.0kJ·mol-1和-285.8kJ·mol-1;
②H2O(l)=H2O(g) △H3=+44kJ·mol-1。
请回答下列问题:
(1)反应I的平衡常数表达式K=
(2)某温度下甲醇浓度随时间变化如表,反应5~25s内,甲醇的反应速率为
t/s | 0 | 5 | 15 | 25 | 35 |
c/(mol·L-1) | 0.00 | 0.19 | 0.30 | 0.35 | 0.35 |
(3)有利于提高CO2转化为CH3OH平衡转化率的措施有
A.使用催化剂Cat.1
B.使用催化剂Cat.2
C.降低反应温度
D.投料比不变,增加反应物的浓度
E.增大CO2和H2的初始投料比
(4)表中实验数据表明,在相同温度下不同的催化剂对CO2转化成CH3OH的选择性有显著的影响,其原因是
(5)甲醇可用于制取丙烯,反应为:3CH3OH(g)→C3H6(g)+3H2O(g),反应的Arrhenius经验公式的实验数据如图中曲线a所示,已知Arrhenius经验公式为Rlnk=-+C(其中Ea为活化能,k为速率常数,R和C为常数)。该反应的活化能Ea=
(6)当使用更高效催化剂时,Rlnk与关系的示意图应为图中的
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解答题-原理综合题
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较难
(0.4)
解题方法
【推荐3】氢能是极具发展潜力的清洁能源,氢气的开发和综合利用是目前全球重要的科研项目之一。回答下列问题:
(1)T℃时,向体积均为1L的甲、乙两个恒容容器中分别加入足量碳和0.1molH2O(g),发生反应:H2O(g)+C(s)⇌CO(g)+H2(g) △H>0。甲容器控制绝热条件,乙容器控制恒温条件,两容器中压强随时间的变化如图所示。
①图中代表甲容器的曲线为__ (填“Ⅰ”或“Ⅱ”)。
②下列关于甲容器反应体系的说法错误的是__ 。
A.当水蒸气的体积分数不再发生变化,反应达到平衡状态
B.从密闭容器中分离出部分固体碳,H2的体积分数减小
C.缩小容器体积,平衡逆向移动,平衡常数减小
D.向平衡体系中充入少量水蒸气,再次平衡后,容器中c(CO)增大
③乙容器中,从反应开始到达平衡,v(H2O)=__ mol•L-l•min-l;T℃下,该反应的平衡常数Kp=___ (用含p的代数式表示)。
(2)对于反应aA(g)+bB(g)⇌cC(g)+dD(g),速率方程v═kcm(A)•cn(B),k为速率常数(只受温度影响),m+n为反应级数。已知H2(g)+CO2(g)⇌CO(g)+H2O(g),CO的瞬时生成速率=kcm(H2)•c(CO2)2。一定温度下,控制CO2起始浓度为0.25mol•L-1,改变H2起始浓度,进行以上反应的实验,得到CO的起始生成速率和H2起始浓度呈如图所示的直线关系。
①该反应的反应级数为__ 。
②速率常数k=__ 。
③当H2的起始浓度为0.2mol•L-1,反应进行到某一时刻时,测得CO2的浓度为0.2mol•L-1,此时CO的生成瞬时速率v=__ mol•L-l•s-1。
(1)T℃时,向体积均为1L的甲、乙两个恒容容器中分别加入足量碳和0.1molH2O(g),发生反应:H2O(g)+C(s)⇌CO(g)+H2(g) △H>0。甲容器控制绝热条件,乙容器控制恒温条件,两容器中压强随时间的变化如图所示。
①图中代表甲容器的曲线为
②下列关于甲容器反应体系的说法错误的是
A.当水蒸气的体积分数不再发生变化,反应达到平衡状态
B.从密闭容器中分离出部分固体碳,H2的体积分数减小
C.缩小容器体积,平衡逆向移动,平衡常数减小
D.向平衡体系中充入少量水蒸气,再次平衡后,容器中c(CO)增大
③乙容器中,从反应开始到达平衡,v(H2O)=
(2)对于反应aA(g)+bB(g)⇌cC(g)+dD(g),速率方程v═kcm(A)•cn(B),k为速率常数(只受温度影响),m+n为反应级数。已知H2(g)+CO2(g)⇌CO(g)+H2O(g),CO的瞬时生成速率=kcm(H2)•c(CO2)2。一定温度下,控制CO2起始浓度为0.25mol•L-1,改变H2起始浓度,进行以上反应的实验,得到CO的起始生成速率和H2起始浓度呈如图所示的直线关系。
①该反应的反应级数为
②速率常数k=
③当H2的起始浓度为0.2mol•L-1,反应进行到某一时刻时,测得CO2的浓度为0.2mol•L-1,此时CO的生成瞬时速率v=
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【推荐1】CO2资源化在推进能源绿色转型,实现“碳达峰、碳中和”中具有重要意义。
I. CO2与H2在固载金属催化剂上可发生以下反应:
反应i.CO2(g)+H2(g) HCOOH(g) ΔH1
反应ii.CO2(g)+H2(g) H2O(g)+CO(g) ΔH2>0
反应iii.……
可能的反应机理如下图所示(M为催化剂):
(1)反应iii的化学方程式为_______ 。
(2)已知下列几种物质的标准摩尔生成焓(在101kPa时,由最稳定单质合成1mol指定产物的反应热):
依据以上信息,ΔH1=_______ 。
(3)在一定压强下,按n(H2):n(CO2)=1:1 投料,发生反应i和反应ii (忽略反应iii), 反应相同时间,CO2的转化率及HCOOH选择性(甲酸选择性=随温度变化曲线如下图所示。
①一定温度下,为了提高甲酸选择性可采取的措施有_______ (任写一条)。
②若M点反应已达到平衡状态,体系中H2的分压为a MPa,则673.15K时反应i的分压平衡常数计算式Kp=_______ MPa-1。
③当温度高于673.15K,随温度升高,反应i与反应ii的反应速率相比,增加更显著的是反应_______ (填“ i”或“ii”),判断的依据是_______ 。
Ⅱ.利用电化学装置可实现CO2和CH4两种分子的耦合转化,其原理如图所示。
(4)装置工作时,电极A应连接电源的_______ (填“正”或“负”)极,电极A的电极反应式为_______ 。
I. CO2与H2在固载金属催化剂上可发生以下反应:
反应i.CO2(g)+H2(g) HCOOH(g) ΔH1
反应ii.CO2(g)+H2(g) H2O(g)+CO(g) ΔH2>0
反应iii.……
可能的反应机理如下图所示(M为催化剂):
(1)反应iii的化学方程式为
(2)已知下列几种物质的标准摩尔生成焓(在101kPa时,由最稳定单质合成1mol指定产物的反应热):
物质 | CO2(g) | H2(g) | HCOOH(g) |
标准摩尔生成焓/kJ·mol-1 | -393.51 | 0 | -362.3 |
(3)在一定压强下,按n(H2):n(CO2)=1:1 投料,发生反应i和反应ii (忽略反应iii), 反应相同时间,CO2的转化率及HCOOH选择性(甲酸选择性=随温度变化曲线如下图所示。
①一定温度下,为了提高甲酸选择性可采取的措施有
②若M点反应已达到平衡状态,体系中H2的分压为a MPa,则673.15K时反应i的分压平衡常数计算式Kp=
③当温度高于673.15K,随温度升高,反应i与反应ii的反应速率相比,增加更显著的是反应
Ⅱ.利用电化学装置可实现CO2和CH4两种分子的耦合转化,其原理如图所示。
(4)装置工作时,电极A应连接电源的
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解答题-原理综合题
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较难
(0.4)
【推荐2】利用CO2可合成烷烃、烯烃、醇、甲酸等系列重要化工原料。回答下列有关问题:
I.制备甲烷CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H=-252.9kJ•mol-1
(1)在恒温、恒容容器中进行该反应,下列不能 说明反应达到平衡状态的是___ 。
A.CO2和H2的转化率之比不再变化
B.混合气体的平均摩尔质量不再变化
C.容器内的压强不再变化
D.4v(H2)正=v(CH4)逆
(2)选择合适催化剂,在密闭容器中按n(CO2):n(H2)=1:4充入反应物,反应结果如图1所示。
①若N点压强为1MPa,则平衡常数Kp(N)=___ ,P点与N点的平衡常数K(P)___ K(N)(填“>”、<”或“=”)。
②若无催化剂,N点平衡转化率是否可能降至R点?说明理由。答:___ 。
II.制备甲醇:
主反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-58kJ•mol-1
副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=-41kJ•mol-1
(3)向恒容容器中充入amolCO2和3amolH2,在催化剂存在的条件下进行反应,测得温度与平衡转化率、产物选择性的关系如图2所示。
已知:CH3OH选择性=
①CH3OH选择性随温度升高而下降的原因是___ (写一条)。
②有利于提高CH3OH选择性的反应条件是__ 。
A.高温高压 B.低温低压 C.高温低压 D.低温高压
Ⅲ.电解法转化CO2可实现CO2资源化利用,电解CO2制HCOOH的原理示意图如图3。
(4)a、b表示CO2进气管,其中___ (填“a”或“b”)管是不需要的。
(5)写出阴极的电极反应式:___ 。
(6)电解一段时间后,若两侧电极液中K+的物质的量相差0.04mol,则阳极产生的气体在标准状况下的总体积为___ L(假设产生的气体全部逸出)。
I.制备甲烷CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(g)△H=-252.9kJ•mol-1
(1)在恒温、恒容容器中进行该反应,下列
A.CO2和H2的转化率之比不再变化
B.混合气体的平均摩尔质量不再变化
C.容器内的压强不再变化
D.4v(H2)正=v(CH4)逆
(2)选择合适催化剂,在密闭容器中按n(CO2):n(H2)=1:4充入反应物,反应结果如图1所示。
①若N点压强为1MPa,则平衡常数Kp(N)=
②若无催化剂,N点平衡转化率是否可能降至R点?说明理由。答:
II.制备甲醇:
主反应:CO2(g)+3H2(g)CH3OH(g)+H2O(g)△H1=-58kJ•mol-1
副反应:CO2(g)+H2(g)CO(g)+H2O(g)△H2=-41kJ•mol-1
(3)向恒容容器中充入amolCO2和3amolH2,在催化剂存在的条件下进行反应,测得温度与平衡转化率、产物选择性的关系如图2所示。
已知:CH3OH选择性=
①CH3OH选择性随温度升高而下降的原因是
②有利于提高CH3OH选择性的反应条件是
A.高温高压 B.低温低压 C.高温低压 D.低温高压
Ⅲ.电解法转化CO2可实现CO2资源化利用,电解CO2制HCOOH的原理示意图如图3。
(4)a、b表示CO2进气管,其中
(5)写出阴极的电极反应式:
(6)电解一段时间后,若两侧电极液中K+的物质的量相差0.04mol,则阳极产生的气体在标准状况下的总体积为
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解答题-工业流程题
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较难
(0.4)
解题方法
【推荐3】最近,著名记者柴静的雾霾调查纪录片穹顶之下,在互联网上产生了爆炸性影响.煤燃烧的尾气是造成雾霾天气的原因之一,下列是一种变废为宝的处理方法.
(1)上述流程中循环使用的物质有______ ,吸收池Ⅰ吸收的气体有 ______ .
(2)向吸收池Ⅳ得到的溶液中滴加溶液,出现浑浊,pH降低,用平衡移动原理解释溶液pH降低的原因:______ .
(3)电解池Ⅴ制得的原理如图1所示.
写出电解总反应的离子方程式______ .
(4)和反应生成和,反应过程中的能量变化如图2,,.
已知:①
②
请写出NO与CO反应生成无污染气体的热化学方程式:______ .
(5)上述流程中每一步均恰好完全反应,若制得质量为xkg,电解池V制得的溶液,则氧化池Ⅵ中消耗的在标准状况下的体积为______ .
(1)上述流程中循环使用的物质有
(2)向吸收池Ⅳ得到的溶液中滴加溶液,出现浑浊,pH降低,用平衡移动原理解释溶液pH降低的原因:
(3)电解池Ⅴ制得的原理如图1所示.
写出电解总反应的离子方程式
(4)和反应生成和,反应过程中的能量变化如图2,,.
已知:①
②
请写出NO与CO反应生成无污染气体的热化学方程式:
(5)上述流程中每一步均恰好完全反应,若制得质量为xkg,电解池V制得的溶液,则氧化池Ⅵ中消耗的在标准状况下的体积为
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