碳達峰、碳中和是現(xiàn)在需要繼續(xù)完成的環(huán)保任務,CO2的綜合利用成為熱點研究對象,CO2作為碳源加氫是再生能源的有效方法,CO2加氫可以合成甲醇,Olah提出“甲醇經(jīng)濟”概念,認為甲醇會在不久的將來扮演不可或缺的角色,通過CO2加氫生產(chǎn)甲醇是有希望的可再生路線之一,該過程主要發(fā)生如下反應:
反應Ⅰ:CO2(g)+H2(g)?CO(g)+H2O(g)ΔH1
反應Ⅱ:CO2(g)+3H2(g)?CH3OH(g)+H2O(g)ΔH2=-41.1kJ?mol-1
(1)①相關(guān)鍵能如下表,則ΔH1=
+43kJ/mol
+43kJ/mol
,該反應的活化能Ea(正)大于
大于
Ea(逆)(填“大于”“小于”或“等于”)。
化學鍵 |
H-H |
C≡O(shè) |
O-H |
C=O |
鍵能/(kJ?mol-1) |
436 |
1071 |
464 |
803 |
②若K
1、K
2分別表示反應Ⅰ、反應Ⅱ的平衡常數(shù),則CO(g)+2H
2(g)?CH
3OH(g)的平衡常數(shù)K=
(用含K
1、K
2的代數(shù)式表示)。
③已知CO
2(g)+3H
2(g)?CH
3OH(g)+H
2O(g)的正反應速率v
正=kc(CO
2)c
3(H
2)( k為正反應的速率常數(shù)),某溫度時測得數(shù)據(jù)如下:
|
c(CO2)/(mol?L-1) |
c(H2)/(mol?L-1) |
v正/(mol?L-1?min-1) |
1 |
0.02 |
0.01 |
2.0×10-4 |
2 |
0.02 |
0.02 |
a |
則此溫度下表中a=
1.6×10?3
1.6×10?3
。
(2)據(jù)文獻報道,Cu基納米材料作為高性能催化劑可將CO
2電還原為高能量密度的CH
3OH,不同催化劑對生成CH
3OH的法拉第效率與電極電勢的變化如圖所示(已知法拉第效率是指實際生成物和理論生成物的百分比),為了保證生成甲醇的法拉第效率,最合適的電勢及最佳催化劑是
?1.0V、Cu6(S)
?1.0V、Cu6(S)
。
(3)在催化劑作用下,發(fā)生上述反應Ⅰ、Ⅱ,達平衡時CO
2的轉(zhuǎn)化率隨溫度和壓強的變化如圖,判斷p
1、p
2、p
3的大小關(guān)系:
p1>p2>p3
p1>p2>p3
,解釋壓強一定時,CO
2的平衡轉(zhuǎn)化率呈現(xiàn)如圖變化的原因:
TK之前以反應Ⅰ為主,轉(zhuǎn)化率隨著溫度升高而增大,TK之后以反應Ⅱ為主,轉(zhuǎn)化率隨著溫度升高而降低
TK之前以反應Ⅰ為主,轉(zhuǎn)化率隨著溫度升高而增大,TK之后以反應Ⅱ為主,轉(zhuǎn)化率隨著溫度升高而降低
。
(4)某溫度下,初始壓強為p,向容積為2L的恒容密閉容器中充入2molCO
2、3molH
2發(fā)生反應Ⅰ、Ⅱ,平衡時CO
2的轉(zhuǎn)化率是50%,體系內(nèi)剩余1molH
2,反應Ⅱ的平衡常數(shù)K=
2
2
L
2?mol
-2。