Question

【題目】現代工業的發展導致CO2的大量排放，對環境造成的影響日益嚴重，通過各國科技工作者的努力，已經開發出許多將CO2回收利用的技術，其中催化轉化法最具應用價值�；卮鹣铝袉栴}：

（1）在催化轉化法回收利用CO2的過程中，可能涉及以下化學反應：

①CO2(g)+2H2O(l)CH3OH(l)+O2(g) ΔH=+727kJ·mol-1 ΔG=+818kJ·mol-1

②CO2(g)+3H2O(l)CH4(g)+O2(g) ΔH=+890kJ·mol-1 ΔG=+818kJ·mol-1

③CO2(g)+3H2(g)CH3OH(l)+H2O(l) ΔH=-131kJ·mol-1 ΔG=-9.35kJ·mol-1

④CO2(g)+4H2(g)CH4(g)+2H2O(l) ΔH=-253kJ·mol-1 ΔG=-130kJ·mol-1

從化學平衡的角度來看，上述化學反應中反應進行程度最小的是__，反應進行程度最大的是__。

（2）反應CO2+4H2CH4+2H2O稱為Sabatier反應，可用于載人航空航天工業。我國化學工作者對該反應的催化劑及催化效率進行了深入的研究。

①在載人航天器中利用Sabatier反應實現回收CO2，再生O2，其反應過程如圖所示，這種方法再生O2的最大缺點是需要不斷補充__(填化學式)。

②在1.5MPa，氣體流速為20mL·min-1時研究溫度對催化劑催化性能的影響，得到CO2的轉化率(%)如下：

催化劑	180℃	200℃	220℃	280℃	300℃	320℃	340℃	360℃
Co4N/Al2O3	8.0	20.3	37.3	74.8	84.4	85.3	868	90.1
Co/Al2O3	0.2	0.7	2.0	22.4	37.6	48.8	54.9	59.8

分析上表數據可知：__(填化學式)的催化性能更好。

③調整氣體流速，研究其對某催化劑催化效率的影響，得到CO2的轉化率(%)如下：

氣體流速/mL·min-1	180℃	200℃	220℃	280℃	300℃	320℃	340℃	360℃
10	11.0	25.1	49.5	90.2	93.6	97.2	98.0	98.0
30	4.9	11.2	28.9	68.7	72.7	79.8	82.1	84.2
40	0.2	5.2	15.3	61.2	66.2	71.2	76.6	79.0
50	0.2	5.0	10.0	50.0	59.5	61.2	64.1	69.1

分析上表數據可知：相同溫度時，隨著氣體流速增加，CO2的轉化率__(填“增大”或“減小”)，其可能的原因是__。

④在上述實驗條件中，Sabatier反應最可能達到化學平衡狀態的溫度是__，在1L恒容密閉容器中發生該反應，已知初始反應氣體中V(H2)：V(CO2)=4：1，估算該溫度下的平衡常數為__(列出計算表達式)。

（3）通過改變催化劑可以改變CO2與H2反應催化轉化的產物，如利用Co/C作為催化劑，反應后可以得到含有少量甲酸的甲醇。為了研究催化劑的穩定性，將Co/C催化劑循環使用，相同條件下，隨著循環使用次數的增加，甲醇的產量如圖所示，試推測甲醇產量變化的原因__。(已知Co的性質與Fe相似)

Answer 1

【答案】② ④ H2 Co4N/Al2O3 減小 氣體流速加快，導致反應物與催化劑接觸時間不夠 360℃ 反應產生的甲酸腐蝕催化劑，使催化劑活性降低

【解析】

（1）自由能越小，反應越容易發生，反應的焓變不隨溫度變化而發生變化，反應的自由能與溫度有關，上述反應的自由能所處溫度相同，反應①②的自由能均大于0，且二者自由能相等，反應②在反應過程中吸收的能量較反應①多，因此反應②更難發生，反應進行程度最��；反應③④的自由能均小于0，反應④在反應過程中放出的能量較反應③多，因此反應④更易發生，反應進行程度最大；

（2）①該過程中發生反應：CO2+4H2CH4+2H2O、2H2O2H2+O2，由反應方程式可知，需要不斷補充H2；

②由表格數據可知，Co4N/Al2O3作催化劑時，CO2轉化率較高，因此Co4N/Al2O3催化性能更好；

③由表格數據可知，在相同溫度下，隨著氣體流速增加，CO2的轉化率逐漸減�。黄淇赡艿脑�因是：氣流速度過快時，通入的氣體不能及時發生反應，使得反應物的轉化率較低；

④氣體流速為10mL/min時，當溫度為340℃時，CO2的轉化率為98%，溫度為360℃時，CO2的轉化率為98%，該反應溫度升高的過程中，CO2的轉化率逐漸增加，但340℃～360℃過程中，溫度在發生變化，而這兩個時刻CO2的轉化率相同，說明在溫度為340℃～360℃過程中一定存在CO2的轉化率最大值，在達到轉化率最大值后，升高溫度，平衡逆向移動，因此最可能達到化學平衡狀態的溫度是360℃；

設n(H2)=4mol，則n(CO2)=1mol，在360℃下達到平衡時，CO2的轉化率為98%，則

平衡常數為；

（3）在Co/C作為催化劑時，反應后可以得到的產物中含有少量甲酸，甲酸屬于一元弱酸，能夠與Co發生反應，使催化劑的活性降低。